Курс для учителей физики об экспериментах на уроках

Занятие 1. Использование эксперимента на уроках физики как средство развития интеллекта обучающихся

Анализируя работы по психологии способностей, можно сделать вывод, что у психологов существуют разные точки зрения на природу интеллектуальных способностей. Приведем несколько определений интеллекта:

1. Интеллект – это относительно устойчивая структура умственных способностей индивида.
2. Интеллект – разум, способность мыслить, проницательность, совокупность тех умственных функций (сравнения, абстракции, образования понятий, суждения, заключения и т. д.), которые превращают восприятия в знания или критически пересматривают и анализируют уже имеющиеся знания.
3. Интеллект – свойство информационной модели обеспечивать количественно-энергетическое превосходство полезного результата над затраченным усилием.
4. Интеллект – общая познавательная способность, определяющая готовность человека к усвоению и использованию знаний и опыта, а также к разумному поведению в проблемных ситуациях.
5. По определению психолога М. А. Холодной, интеллект – это форма организации индивидуального опыта умственной деятельности человека, а интеллектуальные способности – индивидуально-психологические свойства, которые становятся условием успешности выполнения различных видов интеллектуальной работы.

М. А. Холодная выделяет такие структурные компоненты интеллектуальных способностей, как:

а) конвергентные способности (запоминание, внимание, восприятие, мышление);

б) дивергентные способности (поиск правильных решений, воображение);

в) обучаемость.

Мысль об эксперименте как действенном методе научного познания, о его определяющей роли в обучении и развитии имеет глубокие исторические корни. Он всегда был основой физических знаний. У истоков экспериментального метода в науке и обучении стояли Фалес и Архимед, Г. Галилей и И. Ньютон, М. Фарадей и М. В. Ломоносов.

Учебный физический эксперимент – это воспроизведение с помощью специальных приборов физического явления на занятии в условиях, наиболее удобных для его изучения. Он служит одновременно источником знаний, методом обучения и видом демонстрации (А. И. Бугаев). Экспериментальный метод в силу своей высокой наглядности считается наиболее педагогически эффективным. Различают такие виды физического эксперимента:

1. Демонстрационные опыты преподавателя.
2. Лабораторные работы.
3. Фронтальные опыты.
4. Экспериментальные задачи.
5. Внеклассные эксперименты.

Все эти виды обеспечивают:

А. Реализацию принципов:

• • наглядности;
  • сознательности;
  • активной познавательной деятельности обучающихся.

Б. Развитие:

• • интеллектуальных способностей учеников;
  • политехнизма в преподавании курса физики.

Кроме общих задач, каждый вид имеет более узкое целевое назначение, особенности в методике проведения и технике постановки.

Демонстрационный эксперимент в преподавании физики включает все факторы привлечения внимания. Он ставится для всего класса. Значительная часть обучающихся, особенно мальчиков, имеет рано пробудившийся интерес к технике. Поэтому появление на демонстрационном столе любых технических устройств – приборов для эксперимента – привлекает их внимание.

Психологи отмечают, что сложный зрительный материал запоминается легче, чем его описание. Поэтому демонстрация опытов запечатлевается лучше, чем рассказ учителя о них.

Чтобы восприятие эксперимента обеспечивало высокую эффективность, нужно в нем выделить четыре компонента:

1. Наглядность опыта. Сюда относятся:

• • рациональное использование времени урока;
  • удобное для работы, а также правильных измерений расположение приборов и экспериментатора;
  • приемы организации труда обучающихся при выполнении того или иного лабораторного опыта.

2. Управление восприятием школьников. Оно осуществляется с помощью:

• • аргументирования деятельности учеников, определения целей и планов проведения опыта вместе с ними;
  • использования различных видов инструктирования;
  • установки темпа проведения эксперимента и соответствующего темпа восприятия обучающимися;
  • формирования у школьников навыков наблюдения;
  • хорошей видимости опыта, которая достигается наиболее рациональным расположением приборов;
  • достижения предельной убедительности наблюдаемого явления (это выражается в сведении к минимуму побочных эффектов, влияющих на него, в стремлении к использованию экспериментов, соответствующих изучаемому материалу);
  • обеспечения выразительности каждого физического опыта.

3. Эстетика оформления эксперимента.
4. Научная организация труда в ходе опыта. Она подразумевает, что эксперимент нужно повторить столько раз, сколько это необходимо на практике.

Физические опыты на уроках предоставляют неограниченные возможности для развития интеллектуальных способностей. Определить уровень их сформированности можно при помощи психологических тестов на:

• • внимание;
  • память;
  • мышление;
  • восприятие;
  • креативность (дивергентное мышление);
  • воображение.

О развитии обучаемости можно судить по выполнению детьми заданий на применение знаний в знакомой ситуации.

Занятие 2. Учебный эксперимент как метод обучения физике

Учебный физический эксперимент дает возможность ученику познавать окружающий мир на основе собственных действий. Уточним его роль:

А. Во-первых, эксперимент – объект усвоения при изучении физики в школе. Достигается это разными методами: словесными, наглядными, практическими.

Б. Во-вторых, эксперимент – это метод обучения. С его помощью происходит усвоение физических знаний, в том числе и опытного метода. Здесь отражается специфическая особенность физики как экспериментальной науки.

В. В-третьих, опыты позволяют обеспечить чувственную и логическую наглядность, т. е. помогают выделить явление, выяснить его существенные стороны. У школьников они позволяют формировать важные личностные качества (аккуратность, организованность, настойчивость в получении результата).

Физический опыт может быть конкретным выражением:

а) информационно-рецептивного метода (показ эксперимента учителем);

б) репродуктивного метода (фронтальные опыты);

в) исследовательского метода (планирование, проведение, анализ результатов опыта).

Таким образом, возможности учебного эксперимента весьма велики.

Выделяют такие задачи опыта:

1. Усвоение важных методов исследования природы (наблюдение, эксперимент, анализ, синтез и др.).
2. Обеспечение наилучшего изучения понятий, законов, теорий, формирование умений применять знания на практике.
3. Развитие интереса к физике, создание познавательной мотивации.
4. Формирование общеучебных умений и творческих способностей.
5. Развитие практических умений и навыков, подготовка к труду, знакомство с техникой и технологией.
6. Формирование исследовательских и экспериментальных умений.

Исследовательское экспериментальное умение – способ деятельности, который включает умственные и практические действия, соответствующие научно-исследовательской деятельности и подчиняющиеся логике научного исследования, направленные на решение опытной задачи или проверку выдвинутой гипотезы. Экспериментальные умения разделяют на интеллектуальные и практические.

К первой группе относятся умения:

• • определять цель эксперимента;
  • выдвигать гипотезы;
  • подбирать приборы;
  • планировать эксперимент;
  • вычислять погрешности;
  • анализировать результаты;
  • оформлять отчет о проделанной работе.

Ко второй группе относятся умения:

• • собирать экспериментальную установку;
  • наблюдать;
  • проводить измерения;
  • изменять параметры.

Умение считается сформированным, если правильно, полно и в нужной последовательности выполняются все действия в его составе.

Развитие экспериментальных умений почти целиком базируется на лабораторных работах. Учителя физики должны уметь сами и научить своих подопечных задавать вопросы природе и получать ответы на них. Экспериментальную технику можно формировать по-разному, но главное здесь – развитие двух обобщенных умений. Это умение моделировать и умение измерять.

Уровень экспериментальных задач должен соответствовать степени подготовленности обучающихся. В школе это средние и старшие классы. Ученики обычно подразделяются на склонных к техническим, гуманитарным и естественным (физики, химики, биологи и т. п.) наукам. Каждому уровню соответствует определенный вариант лабораторного практикума.

Технология формирования экспериментальных умений включает:

• • знакомство обучающихся с методом экспериментального исследования при демонстрации физических явлений, изучении описаний исторических опытов;
  • обучение школьников отдельным компонентам-действиям умения, т. е. ставить цель исследования, формулировать гипотезу, проводить наблюдения, измерения и др.;
  • проведение простых исследований в ходе фронтальных и домашних опытов;
  • исследования во время выполнения лабораторных работ по инструкции;
  • исследования при проведении лабораторных работ с элементами самостоятельной научной работы;
  • самостоятельные исследования.

Эта технология осваивается поэтапно, от средних классов до окончания курса физики в вузе. Экспериментальное умение, как и любой способ деятельности, формируется в соответствующем виде работы: в ходе эксперимента.

Профессиональное экспериментальное исследование по физике включает цепочку последовательных действий:

1. Формулировку цели (выявление физической закономерности, высказывание и проверку гипотезы и др.).
2. Планирование эксперимента.
3. Разработку принципиальной схемы экспериментальной установки, определение её параметров.
4. Подбор элементов установки (объекта исследования, воздействующего элемента, управляющего элемента, индикатора).
5. Отбор оборудования.
6. Сборку и отладку экспериментальной установки.
7. Проведение эксперимента.
8. Фиксирование наблюдений и измерений.
9. Оформление отчета о работе (выполнение записей и зарисовок, вычислений, построение графиков по таблицам).
10. Анализ и оценку результатов.
11. Формулирование выводов.
12. Публикацию исследования.

Лабораторные работы (далее – ЛР) – модели реальных физических экспериментов. Ясно, что профессиональный подход необходимо осваивать, в том числе при их выполнении. Выделяют три вида ЛР:

• • фронтальные лабораторные занятия по физике;
  • физический практикум;
  • домашние экспериментальные работы по физике.

Занятие 3. Фронтальный эксперимент на уроках физики

Фронтальный эксперимент позволяет решать практически любые дидактические цели. В частности, такие как:

а) передача знаний, в том числе технического характера;

б) формирование практических и интеллектуальных умений;

в) развитие мышления и мировоззрения, творческих способностей, настойчивости и других личностных качеств.

Фронтальный эксперимент должен быть тесно связан с изучаемым материалом, демонстрационными опытами, видами деятельности обучающихся и со многим другим, т. е. он должен выполняться в системе.

Фронтальные лабораторные работы – это такой вид практических заданий, когда все обучающиеся класса одновременно выполняют однотипный эксперимент, используя одинаковое оборудование. Их можно классифицировать:

• • по наблюдению физических явлений (взаимодействие магнитов, интерференция и др.);
  • по ознакомлению с приборами и выполнению с их помощью прямых измерений (измерение силы тока, напряжения, веса тела и т. д.);
  • по выполнению косвенных измерений физических величин (измерение сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра, измерение электродвижущей силы, внутреннего сопротивления источника тока и др.);
  • по сборке и ознакомлению с принципом действия некоторых технических установок и приборов (сборка электромагнитного реле, детекторного радиоприемника и т. д.).

Все фронтальные ЛР по содержанию учебного материала также можно разделить на группы:

1. «Наблюдение и изучение физических явлений и процессов».
2. «Наблюдение и изучение свойств тел, веществ, частиц и полей».
3. «Измерение физических величин, характеризующих свойства явлений, тел, веществ, частиц и полей».
4. «Измерение физических констант».
5. «Ознакомление с различными методами измерения физических величин и констант».
6. «Наблюдение, выяснение или проверка количественных зависимостей между физическими величинами».
7. «Изучение физических законов и их следствий».
8. «Изучение основных положений физических теорий и их следствий».
9. «Изучение устройства, принципа действия измерительной техники и приемов обращения с ней».
10. «Градуировка измерительных приборов».
11. «Знакомство с устройством, действием различных физических приборов и приемами обращения с ними».
12. «Сборка и испытание простого технического оборудования».

Физический практикум проводится для:

а) повторения, углубления, расширения и обобщения знаний, полученных из разных тем курса физики;

б) развития экспериментальных умений при использовании более сложного оборудования, в более трудном опыте;

в) формирования самостоятельности при проведении эксперимента.

В современной системе обучения физике происходит массовый переход вузов и некоторых школ к компьютерным версиям классических ЛР. Компьютер позволяет провести видимость эксперимента из любой области физики, будь то механика или ядерная физика. Виртуально можно осуществлять эксперименты, которые нельзя провести в реальных условиях либо из-за их высокой стоимости, либо просто из-за опасности или неприемлемых габаритов.

Еще одно достоинство компьютера – возможность проведения с его помощью лабораторных практикумов по фронтальному методу. Обычно последовательность ЛР, которые выполняют обучающиеся, не совпадает с порядком изложения материала в курсе физики. Одновременное выполнение одного и того же опыта всеми учениками (фронтальный практикум) без ИКТ требует большого количества экспериментальных установок, что затруднительно. Хорошей альтернативой в этом случае станет выполнение различных работ, связанных с опытом, за компьютерами. Нужно лишь обеспечить их необходимыми для этого программами.

Занятие 4. Классификация лабораторных работ (экспериментов) по физике

По виду руководств лабораторные работы разделяют на выполняемые по:

а) устному объяснению учителя;

б) письменным инструкциям.

Оба вида руководств имеют достоинства и недостатки, поэтому выбор того или иного определяется сложностью работы, дидактической целью и подготовленностью обучающихся.

Устное руководство проводится обычно в начальном периоде выполнения фронтальных лабораторных работ, когда у обучающихся нет еще необходимых экспериментальных знаний и умений. Словесное объяснение позволяет оперативно управлять всеми действиями детей. При этом степень подробности инструктажа зависит от сложности выполняемых операций, применяемого оборудования и наличия у учеников экспериментальных умений. По мере развития последних устное руководство заменяется выполнением работ по письменным инструкциям.

Письменные инструкции помогают обучающимся работать самостоятельно в индивидуальном темпе, а учителю – полнее контролировать ход выполнения эксперимента, своевременно выявлять трудности и ошибки учеников, оказывать им необходимую помощь в работе.

Полная письменная инструкция обычно содержит:

1. Номер и название работы.
2. Цель работы.
3. Перечень оборудования.
4. Содержание работы.
5. Метод и порядок выполнения работы.
6. Рисунки и схемы установок.
7. Таблицы для записи результатов измерений и вычислений.
8. Способы расчета погрешностей.
9. Контрольные вопросы.

Контрольные вопросы обращают внимание обучающихся на существенные стороны изучаемого явления, заставляют осмысливать свои действия и полученные результаты. В некоторых инструкциях программа выполнения работы задается системой вопросов.

По мере развития у школьников экспериментальных умений и навыков детализация инструкций уменьшается. Детям предоставляется большая самостоятельность при выполнении заданий.

По времени выполнения лабораторные работы разделяют на:

• • кратковременные (от 5 до 15 минут);
  • одночасовые (один урок);
  • двухчасовые (два урока).

Кратковременные и одночасовые работы тесно связаны друг с другом. Многие кратковременные ЛР представляют собой элементы одночасовых. С другой стороны, многие одночасовые работы можно рассматривать как сумму кратковременных, следующих друг за другом в определенной последовательности и объединенных общей дидактической задачей.

Кратковременные работы служат главным образом для:

А. Формирования у обучающихся начальных представлений о физических явлениях, понятиях и закономерностях.

Б. Развития у школьников экспериментальных умений:

• • наблюдать физические явления;
  • выполнять простые измерения и опыты;
  • обращаться с приборами и материалами;
  • анализировать полученные результаты;
  • делать обобщения и выводы.

По своему содержанию кратковременные работы, как и одночасовые, представляют собой различные наблюдения, измерения и опыты. Все их по содержанию можно разделить на те же группы, что и одночасовые.

Кратковременные работы, в отличие от одночасовых, имеют свои характерные особенности. Они охватывают все темы курса физики каждого класса и более тесно связаны с изучаемым на уроках учебным материалом. Количество таких работ по каждой теме определяется степенью значимости того или иного понятия, закономерности или практического умения.

Благодаря кратковременности выполнения такие работы более оперативны, чем одночасовые. Их можно включать в отдельные этапы урока для решения различных учебных задач:

1. Введение в тему урока.
2. Постановка учебной проблемы.
3. Иллюстрация к объяснению учителя.
4. Повторение.
5. Обобщение изученного материала.
6. Отработка экспериментальных умений и др.

Кратковременные работы соответствуют познавательным возможностям обучающихся и усложняются постепенно. Это способствует поэтапному формированию системы знаний и умений учеников. Такие ЛР развивают мышление детей, поскольку побуждают их к выполнению умственных операций (анализу, синтезу, сравнению, обобщению и др.) и создают условия для самоконтроля. Активизация мыслительной деятельности обучающихся достигается с помощью постановки соответствующих вопросов во время выполнения работ.

Кратковременные лабораторные работы выполняют фронтально во всех классах при устном или письменном руководстве с использованием небольшого количества учебных приборов, что обеспечивает их быструю выдачу и уборку. А обучающиеся при этом делают лишь краткие записи.

Одночасовые ЛР выполняют во всех классах фронтально и в тесной связи с пройденным материалом. Проводить их в конце изучения раздела или учебной четверти запрещается.

Одночасовые и двухчасовые ЛР выполняют также на физических практикумах 9-11 классов после изучения крупных разделов курса физики или в конце учебного года.

По месту выполнения лабораторные работы разделяют на классные и внеклассные. Первые проводят в классе по расписанию или во внеурочное время. Они обязательны для всех обучающихся. А вторые выполняются вне школы (дома, на природе) во внеурочное время всеми или отдельными учениками без непосредственного контроля учителя.

По дидактическим целям и задачам ЛР могут быть направлены на:

1. Изучение нового учебного материала (приобретение новых знаний).
2. Повторение, обобщение, систематизация ранее изученного.
3. Формирование экспериментальных знаний, умений и их применение.
4. Проверка экспериментальных знаний и умений обучающихся.
5. Достижение нескольких дидактических целей (комбинированные работы).

Практически все лабораторные работы по этой классификации в какой-то степени комбинированные, так как все они тесно взаимосвязаны. При их выполнении наряду с изучением нового материала происходит частичное повторение ранее изученного, формирование у обучающихся экспериментальных знаний, умений и их контроль учителем.

По характеру познавательной деятельности учеников и степени их самостоятельности ЛР можно разделить на:

• • репродуктивные;
  • иллюстративные;
  • частично-поисковые;
  • исследовательские.

Названия этих групп работ соответствуют названиям методических приемов их выполнения:

• • репродуктивный прием;
  • иллюстративный прием;
  • частично поисковый (эвристический) прием;
  • исследовательский прием.

А. В. Усова классифицирует ЛР по:

1. Содержанию.
2. Методам выполнения и обработки результатов (наблюдение, качественные опыты, измерительные работы, количественные исследования функциональной зависимости величин).
3. Степени самостоятельности обучающихся (проверочные, эвристические, творческие).
4. Дидактической цели (изучение нового, повторение, закрепление, формирование навыков и практических умений исследовательского характера).
5. Месту в учебном процессе (предваряющие, иллюстративные, итоговые и т. д.).
6. Месту проведения (в классе, дома, в физических лабораториях).
7. Способу организации (фронтальные работы, физический практикум).
8. Времени выполнения (кратковременные фронтальные опыты, часовые фронтальные ЛР, физический практикум с двухчасовыми ЛР).

Основными видами лабораторных занятий считают фронтальные ЛР и физические практикумы. Включение многих работ по их тематике в состав фронтальных или относящихся к практикумам весьма условно. Это зависит от оборудования кабинета, конкретных задач, поставленных учителем для каждой работы, и т. д.

Занятие 5. Целеполагание эксперимента

Действующая школьная программа по физике предусматривают формирование у обучающихся целой системы экспериментальных знаний и умений. В процессе изучения предмета и выполнения различных видов опытов ученики должны овладеть такими экспериментальными знаниями и умениями:

1. Планировать проведение наблюдения, измерения или опыта (в старших классах).
2. Собирать и настраивать установки для выполнения наблюдения, измерения или опыта.
3. Проводить наблюдение, измерение или опыт, соблюдая правила безопасности.
4. Устранять действия побочных факторов во время выполнения работы (в старших классах).
5. Вычислять абсолютную и относительную погрешности прямых и косвенных измерений (в старших классах).
6. Обрабатывать и анализировать полученные результаты, делать выводы.
7. Оформлять результаты в виде таблиц, графиков (в старших классах).
8. Составлять краткий отчет о проделанной работе.
9. Владеть культурой учебного труда (способность правильно организовать рабочее место, самостоятельно контролировать качество выполнения работы, вносить в неё необходимые коррективы).

Кроме того, обучающимся необходимо овладеть знаниями и умениями обращаться с измерительными приборами. Они должны:

• • знать названия, назначение и условное назначение приборов;
  • иметь представления об их устройстве и принципе действия;
  • знать о правилах обращения и способах повышения точности измерения;
  • уметь читать шкалу приборов;
  • определять цену деления шкалы, предел измерения и класс точности (в старшем звене).

Один из основных методов формирования экспериментальных знаний и умений обучающихся – выполнение фронтальных лабораторных работ.

Уровень сформированности экспериментальных знаний и умений будет различен в зависимости от возрастных особенностей детей, количества и содержания ЛР, а также приемов их выполнения. Этот уровень в программе не указывается.

Можно предложить три таких уровня, различающихся в сложности действий и степени самостоятельности учеников.

Примеры образовательных целей

Приведем возможный перечень формулировок педагогических целей, которые можно было бы поставить при изучении темы из курса физики 11 класса «Электромагнитная индукция».

Образовательные цели, связанные с формированием предметных знаний:

1. Сформировать у обучающихся понятие электромагнитной индукции.
2. Методом от противного подвести учеников к правилу определения направления индукционного тока в замкнутом проводнике.
3. Организовать деятельность обучающихся по применению метода аналогий к получению полного стандартного знания об индукции.
4. Организовать самостоятельную работу с учебником по поиску информации об индукционных приборах.
5. Организовать деятельность по нахождению значения физической величины:

• • ускорения свободного падения;
  • коэффициента трения/скольжения дерева по дереву, скорости снаряда, выпущенного из баллистического пистолета и т. д.

6. Организовать деятельность по исследованию зависимости между физическими величинами:

• • силой, приложенной к телу и величиной его деформации;
  • углом выстрела из баллистического пистолета и дальностью полета снаряда;
  • периодом колебаний математического маятника и его длиной.

7. В ходе выполнения лабораторного эксперимента сформировать у учеников знание об условиях равновесия тела, имеющего ось вращения.

Образовательные цели, связанные с формированием общенаучных знаний:

1. Актуализировать знания обучающихся о методе аналогий и дать им возможность в основных чертах повторить применение этого метода в ранее изученных разделах курса физики.
2. Сформировать у учеников представление о сущности метода доказательства от противного.
3. Восстановить в памяти школьников логические связи между отдельными элементами знания о научной теории.
4. Актуализировать правила формирования понятий о производных физических величинах через ближайший род и видовое отличие.
5. Формировать у учеников знание о правилах проведения эксперимента по исследованию зависимости между физическими величинами (введение производной физической величины, изучение прибора) через инструктаж по выполнению лабораторных работ, в основе которых лежит ориентировочная основа действия (далее – ООД) III типа.
6. Организовать проведение лабораторного эксперимента по изучению явления таким образом, чтобы обучающиеся смогли его описать по обобщенному плану изучения любого физического явления, например:

• • скатывание шарика по наклонному желобу;
  • движение не уравновешивающих друг друга грузов, которые связаны нитью, перекинутой через неподвижный блок;
  • упругий удар шаров, подвешенных на нитях.

Цели, связанные с формированием опыта деятельности в стандартных ситуациях:

1. Предложить ученикам применить метод доказательства от противного к объяснению опыта по взаимодействию движущегося магнита с замкнутым алюминиевым кольцом.
2. Предложить обучающимся на основе наблюдения соответствующих демонстраций и согласно правилу формирования понятий через ближайший род и видовое отличие дать определение приборам, работающим на основе электромагнитной индукции.
3. Предложить ученикам, применив аналитический подход к решению задач, самостоятельно вывести уравнение для расчета электродвижущей силы индукции, возникающей в движущемся проводнике.
4. Предложить обучающимся написать логический конспект на тему «Явление электромагнитной индукции» и построить по нему устный рассказ.
5. Представив ученикам инструкции по выполнению лабораторных работ, в основе которых лежит ООД II типа, формировать и отрабатывать умения:

• • проводить измерения физических величин;
  • определять цену деления и предел измерения приборов;
  • рассчитывать погрешности измерений;
  • собирать экспериментальные установки по предложенному рисунку.

6. Организовать самостоятельную работу по проверке ранее установленной в демонстрационном эксперименте зависимости между физическими величинами:

• • силой, приложенной к телу, его массой и ускорением;
  • массами тел и ускорениями, получаемыми при их взаимодействии.

Цели, связанные с формированием творческих способностей:

1. На основе наблюдения серии физических эффектов дать ученикам самостоятельно сформировать в структурных отношениях логические схемы и конспекты по темам «Самоиндукция», «Электродвижущая сила индукции в движущихся проводниках».
2. Подвести обучающихся к уровню, когда бы они, основываясь на наблюдениях за процессом работы лампы дневного света (ЛДС) и ориентируясь на сформулированные требования к её устройству, смогли самостоятельно разработать конструкцию системы зажигания ЛДС от осветительной сети, в основе которой использовались бы знания, полученные при изучении темы.
3. Построить ход рассуждений по объяснению сущности явления электромагнитной индукции таким образом, чтобы ученики на основе наблюдения за торможением сплошных проводников в магнитном поле смогли самостоятельно поставить конструкторские задачи и предложить варианты их решения (возможные варианты: задачи, связанные с конструированием индукционной печи, индукционного тахометра, наборных пластин трансформаторов).
4. Подвести обучающихся к основному противоречию и идее его разрешения при постановке демонстрационного эксперимента по наблюдению фазовых соотношений в цепях переменного тока с использованием стрелочных электроизмерительных приборов. Дать возможность ученикам самостоятельно сформулировать это противоречие, поставить задачу и высказать идею её решения.
5. Скомплектовав лабораторное оборудование по типу технического конструктора, предложить школьникам систему индивидуальных, неповторяющихся проблемно-программированных заданий, чтоб выполняя их, они самостоятельно собирали лабораторные установки, планировали, выполняли эксперимент и обрабатывали его результаты.
6. Организовать физический практикум так, чтобы ученикам вместо подробных инструкций к лабораторным работам предъявлялись лишь задания без указания способов их выполнения.

Занятие 6. Инструкции по выполнению лабораторных работ

Решающую роль в формировании действия играет его ориентировочная основа (ООД), полнота и правильность овладения которой определяет его быстроту, качество и характер исполнительной части.

ООД I типа

Первый тип ориентировки характеризуется неполнотой. Ориентиры представлены в конкретном виде и выделяются самим учеником путем многих проб. Действие формируется медленно, с большим количеством ошибок.

ООД I типа заключается в том, что обучающимся предъявляется одно из заданий без указания способов и последовательности его выполнения. При этом предварительно аналогичных работ школьники не делали.

ООД II типа

Второй тип ориентировочной основы включает все условия, необходимые ученику, в готовом виде, в конкретной форме. Обучающимся дается подробная инструкция выполнения работы с детальным описанием отдельных операций, на которые разбивается задание. Формирование действия идет быстро и безошибочно.

ООД III типа

Ориентировочная основа третьего типа имеет полный состав. Ориентиры даны в обобщенном виде, характерном для целого класса явлений. Но при этом ООД составляется самим обучающимся с помощью общего метода, который ему дает учитель. Действие формируется быстро и безошибочно. Оно обладает большой устойчивостью и широтой переноса.

ООД III типа подразумевает:

• • предварительное обучение экспериментальным методам исследования;
  • выделение в совместной работе обобщенных планов выполнения экспериментальных заданий различных типов;
  • умения пользоваться этими планами и конкретизировать их согласно условиям полученного задания.

Примерные варианты инструкций обобщенного характера при использовании ООД III типа

План проведения эксперимента по определению значения физической величины:

1. Математически опишите физическое явление, соответствующее условиям эксперимента и лабораторной установке.
2. Решите полученное уравнение относительно искомой величины.
3. Определите в полученной формуле известные и неизвестные величины.
4. Определите способы нахождения неизвестных величин. Найдите эти величины.
5. Определите численное значение искомой величины.
6. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности.
7. Проведите экспериментальную проверку полученного результата.

План проведения эксперимента по исследованию зависимости между физическими величинами:

1. Определите, между какими величинами будет исследоваться зависимость в ходе эксперимента.
2. Соберите экспериментальную установку.
3. Если будет исследоваться зависимость между 3 и более величинами a, b, c, …, то оставляя постоянными b, с, … определите зависимость x = f(a). Затем, оставляя постоянными величины a, c, …, определите зависимость x = f(b).
4. Определите погрешности измерений и постройте с их учетом графики зависимостей, установленные в эксперименте.
5. Учитывая точность измерений, сформулируйте выводы, которые отражают установленные в опыте зависимости.

Занятие 7. Формирование познавательного интереса у обучающихся 7-9 классов на основе проведения физического эксперимента

Важный компонент модели современного школьного образования – его ориентация на практические навыки, на способность применять знания, реализовывать собственные проекты. В требованиях физического образования заложена практическая направленность, которая заключается в развитии интересов и способностей обучающихся на основе познавательной экспериментальной деятельности.

Однако на практике учителя сталкиваются с тем, что у большинства учеников, приступивших к изучению физики, не сформирован познавательный интерес к этому предмету. В действиях детей нередко отмечаются серьезные недостатки, связанные с решением учебных задач:

• • отсутствие познавательной активности при их выполнении;
  • немотивированная избирательность интересов;
  • утрата заинтересованности после решения заданий.

Вот почему необходимо создание специальных условий для физического образования, которые предполагают включение школьников в поисковую, творческую и продуктивную познавательную деятельность при помощи эксперимента.

История принципов физического опыта уходит своими корнями в античные времена. Со временем менялся только способ экспериментирования. Однако тема внутреннего строения эксперимента и его связи с формой теоретического мышления остается в значительной мере неразработанной. Несмотря на большое количество описанных опытов, недостаточно изучены их функциональные особенности, мало трудов по их типологии.

В работе над физическим опытом важно понять, что он рассматривается не как отдельный эпизод естественнонаучного образования, а как часть целостного образовательного процесса. Поэтому, говоря об эксперименте, нельзя изолировать его от исследовательской и практической познавательной деятельности.

Одна из самых сложных задач физического эксперимента – выявить опытным путем закономерность изучаемых природных явлений, свойств и строения материи. Такая работа способствует эффективному раскрытию основных понятий физики и её законов.

Учителю необходимо сформировать у школьников интерес к поиску смысла взаимосвязи основных научных понятий и законов физики, научить экспериментальным исследованиям живой и неживой природы.

Большое значение имеют опыты на первых порах обучения, т. е. в 7-8 классах, когда обучающиеся впервые приступают к изучению курса физики. Здесь качество большинства уроков во многом зависит от того, насколько удачно подобраны, подготовлены и проведены эксперименты.

Особенно важны лабораторные работы. Но наряду с ними учителю необходимо включать в содержание урока как можно больше практических и опытных заданий. Обучающиеся должны их провести, обдумать и решить самостоятельно, основываясь на знании учебного материала. Только тогда они поймут всю значимость физики, когда увидят неотъемлемую связь теории с практикой.

Процесс обучения физике начинается с организованного наблюдения окружающих физических явлений. Оно в той или иной мере проводятся до изучения систематического курса физики. Поэтому к началу обучения в 7 классе школьники уже имеют некоторый запас различных физических представлений. Однако ограничиваться только им и опираться лишь на него при изучении новой дисциплины было бы неправильным по таким соображениям:

А. Во-первых, эти представления не у всех учеников одинаковы.

Б. Во-вторых, они могут оказаться у отдельных обучающихся не совсем правильными.

В. В-третьих, этих знаний далеко не всегда бывает достаточно для понимания и надлежащего восприятия того или иного нового материала.

Запас представлений, как показывает практика, должен постепенно, на протяжении всего курса, регулярно пополняться.

Всё это приводит в школьных условиях к необходимости проводить в классе нужные для обучения специально организованные демонстрационные опыты.

Правильно поставленные демонстрации по физике, которые сопровождаются соответствующими объяснениями, дают возможность ученикам видеть не только конкретную установку с отдельными приборами, приспособлениями, деталями, но и изучаемые физические явления, процессы и закономерности. Это запечатлевается у обучающихся в виде многообразных представлений и сравнительно легко воспроизводится в памяти благодаря конкретным образам, которые остаются после каждого опыта.

Кроме того, демонстрации и эксперименты приучают учеников под непосредственным руководством учителя к более сосредоточенному и строгому наблюдению. Они приучают искать источник знаний по физике в явлениях внешнего мира, в жизненном опыте. Экспериментальные задания прививают обучающимся живой, легко поддерживаемый интерес к физике.

Разнообразные знания, которые получают школьники из организованных в классе наблюдений, и зарождающийся на их почве интерес к физике делают возможным и вполне естественным переход от представлений к установлению основных физических понятий о простейших явлениях, физических величинах, приемах их измерения, об отдельных приборах, установках и т. д.

Для детей, приступающих к изучению физики, начальные опыты служат отправными пунктами и в то же время непреложными истинами, «началом всех начал». Именно эксперимент, а не логически обоснованные и математически оформленные рассуждения, часто становятся для них неопровержимым доказательством многих положений. Недаром М. В. Ломоносов сказал: «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением».

Важно подчеркнуть, что необходимость в таких начальных опытах, зарождающих правильные представления, остается при изучении нового раздела курса на всех ступенях обучения. По мере развития обучающихся стоит усложнять и начальные опыты для них, сохраняя всякий раз элементы новизны и увлекательности – необходимые качества этих экспериментов при всех условиях.

Физический эксперимент – это увлекательная работа, которая:

• • развивает личный интерес к дисциплине, догадку к физической сущности исследуемого явления;
  • служит источником знаний, доказательством справедливости различных теоретических положений;
  • дополняет представление об этом явлении и делает его полным, законченным;
  • способствует выработке убежденности;
  • формирует потребность в создании продукта деятельности, имеющего значение для других;
  • развивает умения и навыки школьников.

Для успешного формирования познавательного интереса обучающихся к физике с помощью проведения экспериментов на уроках учителю предстоит:

1. Изучить и проанализировать научно-методическую литературу по обозначенной проблеме.
2. Внедрить на занятиях по физике методическую систему по совершенствованию экспериментальной деятельности учеников для повышения познавательного интереса к предмету.
3. Обучить детей отдельным алгоритмам проведения индивидуальных и коллективных опытов.
4. Создать банк дидактического материала, обеспечивающего системность аналитической деятельности школьников при работе над экспериментом.

В 8 классе количество учебных действий по проведению опыта расширяется по мере овладения умениями выполнять всё более сложные операции. Среди них:

а) построение гипотезы;

б) моделирование хода выполнения эксперимента;

в) определение необходимых для этого приборов и материалов.

К концу обучения в 9 классе у школьников сформированы такие навыки экспериментальной деятельности, как:

а) опытная проверка физических законов и зависимостей между физическими величинами;

б) моделирование изучаемых явлений;

в) исследование устройства и принципа действия тепловых машин, электродвигателя, телескопа, счетчика Гейгера, камеры Вильсона.

Таким образом, познавательные учебные действия обучающихся динамично развиваются: от наблюдения – до исследования, от определения – до моделирования. И к моменту перехода на старшую ступень обучения школьники готовы к:

• • проведению исследования;
  • постановке эксперимента;
  • выбору профиля;
  • работе в научном обществе;
  • участию в предметных олимпиадах и конкурсах.

Систематическое выполнение на уроках экспериментальных лабораторных работ:

• • способствует более осознанному и конкретному восприятию материала;
  • повышает интерес к физике;
  • развивает любознательность, практические умения и навыки.

Кроме того, проведение лабораторных практикумов считается эффективным средством повышения самостоятельности и инициативы обучающихся. Это благоприятно сказывается на всей их учебной деятельности, активизирует на занятиях интерес к исследованиям и творчеству.

Проводить лабораторные работы, а также моделировать эксперименты можно с помощью ИКТ. Существует более 20 компьютерных программ, которые возможно применять на уроках физики в школе. Например, можно использовать серию электронных учебников фирмы «Физикон» («Живая Физика», «Открытая Физика»). Они содержат собрание компьютерных экспериментов по всем разделам школьного курса физики. Для каждого опыта представлены:

• • компьютерная анимация;
  • графики;
  • численные результаты;
  • пояснение физики наблюдаемого явления;
  • видеозаписи лабораторных экспериментов.

С помощью компьютерных технологий создаются условия для:

а) развития познавательного интереса обучающихся;

б) повышения эффективности самостоятельной работы;

в) решения задачи индивидуализации и дифференциации процесса обучения.

Для углубления знаний обучающихся по предмету, расширения их представлений о связи физики с жизнью следует предлагать ученикам самостоятельно моделировать эксперименты – придумать и описать опыт, доказывающий справедливость изученного явления, изготовить модели приборов или наглядных пособий, демонстрирующих изучаемые законы, например:

А. Изготовить прибор для демонстрации закона Паскаля, используя пластиковую бутылку (7 класс, тема «Передача давления жидкостями и газами. Закон Паскаля»).

Б. Придумать схему работы простейшего фонтана и изготовить его из подручных материалов (7 класс, тема «Сообщающиеся сосуды»).

Такая логика работы над физическим экспериментом имеет большое значение для дальнейшего выбора обучающимися нужного профиля образования.

Описанная нами система формирования познавательного интереса в области физики:

а) способствует осознанному усвоению обучающимися системы знаний, умений и навыков;

б) развивает логическое мышление и творческие способности школьников;

в) повышает эффективность учебно-воспитательного процесса в целом.

Занятие 8. Домашние экспериментальные задания по физике

Важным видом работы по самостоятельному приобретению физических знаний следует назвать домашний эксперимент. Это простейший самостоятельный опыт, который выполняется обучающимися дома, вне школы, без непосредственного контроля со стороны учителя. Чем больше наблюдений физических явлений, опытов проделывают ученики самостоятельно, тем лучше и глубже они усваивают учебный материал. Но планировать его лучше с помощью преподавателя. Особого внимания требуют вопросы техники безопасности.

Домашние экспериментальные работы раскрывают детям связь изучаемых физических законов с окружающими явлениями, теории с практикой, обыденной жизнью. Самостоятельное экспериментирование позволяет ученикам достоверно убедиться в справедливости научных положений, которые рассматриваются на уроке.

У школьников есть довольно большой повседневный опыт в наблюдении физических явлений. Но далеко не всегда дети их осознают правильно. Домашние экспериментальные работы, проводимые под руководством учителя, – хорошее средство для систематизации жизненного опыта обучающихся.

Как всякое самостоятельное экспериментирование, домашние опыты и наблюдения могут быть действенным средством привития любви к физике. Такие исследования можно предлагать ученикам как обязательную домашнюю работу или задания по выбору. Они доступны и привлекательны для школьников. Эти эксперименты выполняются по предложенным технологическим картам или по тем, которые ученики составили сами. Проведение таких работ пробуждает любознательность у всех детей, в том числе и слабоуспевающих. А их постоянное применение в учебном процессе формирует глубокий познавательный интерес. С помощью системы домашних опытов и наблюдений учитель может:

1. Рассказать ученикам о важных физических свойствах конкретных твердых тел, жидкостей и газов, имеющих широкое техническое и практическое применение.
2. Привить обучающимся элементарные ремесленные навыки обращения с простейшими инструментами.
3. Ознакомить детей с различными бытовыми техническими приборами и устройствами.
4. Развивать умение производить простейшие измерения и расчеты.

Целесообразно предоставлять школьникам свободу в выборе приемов и средств выполнения домашнего опыта. Домашние экспериментальные задания проводятся с использованием различных подручных средств, а не специального школьного оборудования. Это важно, поскольку в жизни дети будут сталкиваться с различными практическими задачами, которые не всегда похожи на учебные (классные).

Домашние опыты, которые будут предлагаться ученикам, могут быть лишь примерными. Необходимость самостоятельного решения проблемы требует от детей находчивости, изобретательности, дает пищу для конструкторской смекалки. Самостоятельность и инициативу учеников в этом вопросе следует всячески поощрять.

Учитель может почти на каждом уроке давать в качестве домашнего задания некоторым обучающимся или всему классу (в зависимости от задания) проведение домашнего эксперимента по заданной теме.

Следующее занятие стоит начать с проверки: вызванный для ответа ученик проводит заранее подготовленный опыт и объясняет его результаты. Тем самым обучающиеся еще раз закрепляют пройденный материал и видят его практическое применение в жизни. Часто дети сами изъявляют желание провести тот или иной эксперимент. Благодаря этому урок становится более насыщенным и интересным.

Такой формат занятия повышает уровень выполнения лабораторных работ (это связано с осознанием важности ЛР и запоминанием их структуры), улучшает понимание изучаемого материала.

Примеры домашних экспериментальных заданий:

1. «Определить плотность картофеля» (7 класс, тема «Плотность вещества»).
2. «Определить массу и вес воздуха в Вашей спальной комнате» (7 класс, тема «Вес тела»).
3. «Определить силу тяжести, действующую на каждого члена Вашей семьи, сравнить и обосновать полученные результаты» (7 класс, тема «Сила. Явление тяготения. Сила тяжести»).
4. «Вырезать из листа бумаги две одинаковых фигуры и приложить их друг к другу. Посмотреть, слипаются ли они. Повторить опыт, намочив соприкасающиеся стороны фигур водой. Объяснить, почему лепестки прилипают друг к другу» (7 класс, тема «Взаимное притяжение и отталкивание молекул»).
5. «Изучить характер движения минутной стрелки часов, определить скорость её движения, центростремительное ускорение и путь, пройденный ею за 30 минут» (9 класс, тема «Движение тела по окружности с постоянной по модулю скоростью»).

При выполнении домашних исследовательских заданий ученики:

• • составляют алгоритм деятельности;
  • подбирают нужное оборудование;
  • проделывают опыты;
  • описывают выполненную работу.

При этом формируются не только знания, но и организационные и экспериментальные умения школьников.

Для развития процесса познания дети на последующих уроках рассказывают друг другу о полученных результатах, о том, как они достигли поставленной цели, вместе формулируют выводы.

Занятие 9. Творческие лабораторные работы

В этом занятии мы приведем примеры опытных заданий, которые можно давать детям после изучения почти каждого нового раздела, уделив особое внимание творческим задачам. По характеру деятельности ученика все задачи можно разделить на творческие и тренировочные.

В творческой задаче (далее – ТЗ) сформулировано определенное требование, выполняемое на основе знания физических законов. Но при этом в ней отсутствуют какие-либо прямые или косвенные указания на физические явления, законами которых следует воспользоваться для решения этой задачи. В большинстве случаев ТЗ связаны с выполнением эксперимента или конструированием.

Творческие задачи всегда сложнее, поскольку требуют от ученика большей самостоятельности мышления. Но не меньшее значение имеет и то, что в школе обучающиеся недостаточно практикуются в решении такого типа заданий.

По содержанию ТЗ можно разделить на несколько видов:

1. Экспериментально-исследовательские, которые считаются основным видом творческих заданий, используемых на уроке. Они широко применяются как при изучении нового, так и при закреплении пройденного материала. Многие исследования можно предложить обучающимся в качестве домашнего задания. Например, работы, требующие проведения длительных наблюдений или предусматривающие самостоятельное изготовление и усовершенствование установок, приборов и т. п.
2. Домашние творческие задания задают школьникам на срок от 3 до 6 дней, а иногда и больше.
3. Конструкторские можно разделить на два типа: задания, в которых требуется найти лишь принципиальное теоретическое решение, и предусматривающие изготовление конструкций.

Успех выполнения творческого задания, его обучающее и развивающее значение во многом зависят от того, насколько широк будет поиск, насколько разнообразными и содержательными окажутся решения.

Подготовка учеников к выполнению ТЗ проводится во время вводной беседы. Она особенно необходима на первых порах применения таких заданий, пока обучающиеся еще не освоились с методами и особенностями творческой работы.

Завершающая часть работы над такими заданиями – коллективное обсуждение итогов его выполнения или анализ результатов. Для этого отбирают самые оригинальные, интересные работы с принципиально разнообразными идеями решения или различными методиками выполнения. Обсуждаются также те, которые содержат поучительные ошибки. С отобранными решениями могут знакомить сами авторы, чтобы активность учеников была более высокой.

Различные виды творческих заданий позволяют широко варьировать содержание ТЗ и степень их сложности. Это дает возможность учитывать разнообразные интересы обучающихся и уровень их подготовки.

Занятие 10. Виртуальные физические опыты

Виртуальный эксперимент – это совершенно новое направление как в исследовательском, так и в образовательном процессе, которое заключается в реализации физических моделей с помощью вычислительной техники.

Развитие и изучение физики неразрывно связаны с построением и исследованием моделей физических систем. Изучать окружающий мир во всем его многообразии невозможно, поэтому решением этой проблемы может быть его упрощенный вариант.

Становление физики – это процесс создания и исследования всевозможных моделей. Все заслуги ученых, начиная еще с античных греков, были достигнуты в результате создания моделей как окружающего мира в целом, так и его фрагментов. Системы Птолемея, Коперника, Галилея, Ньютона, Эйнштейна и других ученых основывались на конкретных моделях окружающего мира.

Появление вычислительной техники – новый этап в применении моделей. Для воспроизведения виртуального эксперимента (далее – ВЭ) необходимо математическое, программное обеспечение и компьютер. Преимущество ВЭ заключается в возможности для учеников строить собственные модели. Компьютерное моделирование физических процессов реализуется в форме виртуальных экспериментов и играет всё большую роль в обучении физике.

Выделим достоинства и недостатки ВЭ:

Действительно, реальные объекты и измерительные приборы значительно интереснее и богаче по своим свойствам в сравнении с виртуальными аналогами. Но разработчики уверены, что это временный недостаток. В результате развития физики будут появляться более сложные и точные модели физических процессов, объектов и явлений.

ВЭ был создан как дополнение и подкрепление натурного эксперимента, а также в помощь, когда невозможно провести реальный опыт. Первые модели ВЭ появились в 70-х годах ХХ века из-за необходимости в увеличении познавательного и научного интереса к физике как в школах, так и в вузах. Для вовлечения обучающихся в физическую науку были созданы программные обеспечения, позволяющие превратить урок в творческий процесс, который реализует принципы развивающего обучения.

Теперь есть возможность в соответствии с темой занятия подобрать необходимый материал, подать его ярко, наглядно и доступно. Использование ИКТ на уроке повышает мотивацию школьников к обучению. Учитель создает условия для:

а) наиболее эффективного проявления фундаментальных закономерностей человеческого мышления;

б) приобретения детьми средств познания и исследования мира;

в) активизации познавательной деятельности.

В компьютерном варианте лабораторной работы можно:

• • выделить главное в явлении;
  • отбросить второстепенные факторы;
  • выявить закономерности;
  • многократно провести эксперимент с изменяемыми параметрами;
  • сохранить результаты в электронном виде;
  • вернуться к своим исследованиям в удобное время;
  • провести значительно большее количество экспериментов.

Виртуальный опыт выполняется с помощью компьютерной модели конкретного закона, явления, процесса и т. д. Работа с этими моделями предоставляет обучающимся огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками экспериментов.

В большинстве интерактивных моделей предусмотрены варианты изменений в широких пределах начальных параметров и условий опытов, варьирования их временного масштаба, а также моделирования ситуаций, недоступных в реальных экспериментах.

Еще одно достоинство в том, что компьютер дает уникальную, не получаемую в реальном физическом опыте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощенной теоретической модели. Это позволяет легко и эффективно находить главные физические закономерности наблюдаемого явления. Кроме того, обучающийся может одновременно с выполнением эксперимента наблюдать построение соответствующих закономерностей в виде графиков. Графический способ отображения результатов опыта облегчает усвоение и запоминание больших объемов информации.

Некоторые явления и процессы невозможно продемонстрировать в школьных условиях из-за отсутствия нужного оборудования. Например, невозможно показать атомы и молекулы в 7 классе, рентгеновское излучение – в 9-ом. Это приводит к тому, что некоторые ученики не могут абстрагироваться и понять физику как науку. Они не в состоянии мысленно представить необходимые процессы и явления.

Виртуальный эксперимент очень просто вписывается в урок и дает возможность организовывать новые виды учебной деятельности. Использование такого вида опыта раскрывает перспективы применения активных форм обучения и тем самым изменения ролей учителя и ученика.

Компьютерная поддержка создает принципиально новые (дополнительные) возможности для организации обучения и усвоения курса физики. Она имеет возможность обогатить содержание, гарантирует новые активные формы и методы овладения материалом.

Виртуальный эксперимент позволяет решить задачи:

а) индивидуализации и дифференциации обучения;

б) стимулирования разнообразной творческой деятельности обучающихся;

в) воспитания навыков самоконтроля, привычки к рефлексии;

г) изменения роли ученика в учебном процессе от пассивного наблюдателя до активного исследователя.

Есть целый ряд электронных образовательных ресурсов для проведения виртуальных экспериментов. К ним относятся:

• • «Живая физика»;
  • «1C-измеритель»;
  • «Macromedia Flash»;
  • «Конструктор экспериментов»;
  • «Начала электроники».

Перечисленные компьютерные обеспечения предоставляют возможность для интерактивного моделирования задач и экспериментов любой сложности. Программы подходят не только для школьного курса физики, но и для вузовского. Они позволяют изучать основные физические концепции, сделать более наглядными абстрактные вещи и теоретические построения. При этом не нужно использовать сложное в налаживании, громоздкое, дорогостоящее, а иногда даже опасное оборудование.

Говоря о месте виртуальных экспериментов в учебно-воспитательном процессе, необходимо принимать во внимание особенности современного состояния образовательной системы. В ней взаимодействуют различные формы обучения, в том числе и смешанные. А для них очень важно соответствующее методическое обеспечение самостоятельной работы.

Также при использовании ВЭ надо учитывать особенности детей. В соответствии с этим требуется, чтобы структура и способ доставления учебно-методических материалов в электронном виде были разнообразными в зависимости от конкретной формы их использования. В конечном счете необходимо обеспечить доступ к большему объему учебно-методических ресурсов для максимально возможного числа пользователей.

Наиболее эффективными остаются технологии, которые реализуют идею персонализации обучения, а также дают возможность для творческого самовыражения и самореализации, что наиболее актуально, например, для старшеклассников, которые готовятся к выбору профессии. Это, прежде всего, способ виртуального эксперимента в сочетании с технологией самостоятельного и проблемного обучения.

Занятие 11. Основные требования к проведению демонстрационных опытов на уроках физики

Учитель физики должен знать основные требования к проведению демонстрационных опытов:

I. Демонстрационная установка должна содержать минимально необходимое количество элементов. Если есть возможность исключить из неё какие-то детали, не нарушая при этом её работоспособности и идеи опыта, это следует сделать.

II. Используемые приборы, элементы установок должны быть узнаваемыми для учеников, а сопроводительный текст к демонстрациям – соответствовать уровню их подготовки.

III. В смене и развитии демонстрационных установок необходима преемственность.

IV. Демонстрационная установка в целом и каждый её существенный элемент должны быть видны с любого места аудитории, где может находиться зритель.

V. Установки должны быть красивыми, а демонстрируемые эффекты – выразительными.

VI. Опыты должны быть кратковременными.

VII. Эксперименты должны отвечать принципу научности.

VIII. Каждый демонстрируемый опыт следует соотносить с логикой учебного материала, для которого он предназначен.

Памятка для самооценки выполнения демонстрационных опытов

Эстетика:

1. Порядок на демонстрационном столе (в том числе отсутствие на нем предметов, не задействованных в опыте) и вокруг него.
2. Расположение приборов на демонстрационном столе.
3. Подбор экранов и подсветок.
4. Цветовая гамма элементов установки.
5. Внешний вид демонстратора и манера его поведения при постановке опыта.
6. Аккуратность записей при фиксации результатов эксперимента.

Техника демонстрирования:

1. Обоснованность и правильность подбора элементов демонстрационной установки.
2. Видимость установки и каждого её принципиально важного элемента из любой возможной точки предполагаемого класса.
3. Выразительность демонстрируемого эффекта.
4. Отсутствие побочных эффектов.
5. Быстрота и четкость проведения опыта.
6. Положение демонстратора относительно стола, установки и зрителей.

Физические эффекты:

1. Наличие ожидаемого физического эффекта.
2. Соответствие его результатов теории.
3. Отсутствие подгонки результатов.

Сопроводительная речь:

1. Своевременное произнесение текста, сопровождающего демонстрируемое явление.
2. Грамотность и эмоциональность речи.
3. Логическая завершенность произносимого текста.
4. Соответствие текста ходу и результатам опыта.

Объяснение:

1. Знание устройства и принципа действия приборов, используемых в демонстрационной установке.
2. Понимание физической сущности показываемых эффектов и умение четко, правильно их толковать.

Методика демонстрации:

1. Верное определение вида демонстрации, соотнесение его с логической структурой учебного материала и дидактическими целями.
2. Организация активной познавательной деятельности аудитории, для которой показывается опыт.

Порядок на рабочем месте:

1. Использование демонстрационного стола только по его прямому назначению.
2. Поддержание порядка на столе и в местах хранения оборудования во время подготовки, проведения и по завершении демонстрации.
3. Умение систематизировать имеющееся оборудование.

Занятие 12. Самостоятельная подготовка опыта обучающимися

Учитель может в качестве домашнего задания попросить каждого ученика подготовить микрофрагмент урока с демонстрационным опытом. Тогда последующее практическое занятие нужно будет построить по определенным правилам.

Урок должен состоять из трех этапов. На каждом из них школьникам необходимо решать разнообразные задачи и показывать прочность своих знаний на практике. Итак, опишем эти этапы:

Первый этап. На занятия необходимо принести тетрадь, предварительно выполнив дома задания:

1. Заполнить имеющиеся в тетради пропуски. При этом необходимо:

• • исходя из содержания сопроводительного текста и учитывая логику изучения темы, определить тип демонстрации, подчеркнув необходимое («Исх.Ф.» – «исходные факты»; «Велич.» – «величина»; «Завис.» – «зависимость»; «Осн.Т.» – «основание теории»; «Мод.» – «модель»; «Под.Теор.» – «подтверждение теории»; «Приб.» – «прибор»);
  • сформулировать цель постановки (указать, для чего демонстрируется предложенный опыт);
  • перечислить оборудование и его характеристики (назвать необходимое для проведения эксперимента оборудование, указав правильное название и параметры).

2. Выучить сопроводительный текст и уметь произносить его четко, обращаясь к предполагаемой аудитории.
3. Аккуратно нарисовать на специально отведенном пространстве иллюстрацию и (или) схему демонстрационной установки, учитывая расположение её элементов на демонстрационном столе (можно выполнить это задание и после знакомства с оборудованием при сборке установки во время занятия).

Второй этап. Получить «допуск» к выполнению работы от преподавателя и собрать установку, предусмотрев основные требования к технике проведения демонстрационного эксперимента:

• • эстетика показа;
  • расположение приборов на демонстрационном столе;
  • наличие фоновых экранов и подсветок;
  • видимость из всех точек аудитории;
  • выразительность эффекта;
  • четкость и быстрота исполнения;
  • достоверность физического эффекта;
  • оптимальность расположения демонстрационной установки, предполагаемых обучающихся и учителя;
  • техника безопасности.

Третий этап. Показать преподавателю микрофрагмент урока с демонстрационным экспериментом.

Занятие 13. Обобщающее занятие по теме «Давление твердых тел, жидкостей и газов» (пример урока с экспериментами)

Цель: обобщение полученных знаний обучающихся по этой теме, а также развитие внимания и умения делать выводы.

Оборудование:

а) игла, корковая пробка, латунная пластинка (5-копеечная монета), деревянный брусок, молоток (первый опыт);

б) деревянная линейка 50-70 см, газета, стол (второй опыт);

в) стеариновая свеча, грузик, сосуд с водой (третий опыт);

г) бутылка, пробка, воронка, сосуд с водой (четвертый опыт);

д) мензурка с закрашенной жидкостью, изогнутая трубка типа N с закругленными коленами (пятый опыт).

Ход урока

Слово учителя: Здравствуйте, дети! Садитесь. Сегодня урок будет необычным. Мы повторим материал, который вы изучали в этом разделе с помощью опытов (подробнее все перечисленные опыты описаны у Л. А. Горева: см. Дополнительные материалы).

Не будем терять времени – начнем. Итак, первый опыт.

Первый опыт

Оборудование:

• • игла;
  • корковая пробка;
  • латунная пластинка (5-копеечная монета);
  • деревянный брусок;
  • молоток.

Описание опыта:

1. Иглу вставить в пробку так, чтобы её острый конец был на уровне нижнего края пробки.
2. Поставить пробку на пластину, а последнюю – на брусок, лежащий на хорошей опоре.
3. Ударить молотком по пробке. При этом пластина пробивается иглой. Кто объяснит такое явление?

Ученик: Удар приходится на всю поверхность пробки, которая пружинит. В результате почти вся сила удара воспринимается пластиной через иглу, а площадь опоры иглы мала. Из-за этого возникает большое давление, благодаря которому пластина пробивается.

Учитель: Верно, а что вы можете еще сказать о давлении?

Ученик: Давление измеряется в паскалях. Это величина равна отношению силы к площади поверхности.

Учитель: Да это так, но не совсем точно. При проведении опыта вы, наверное, обратили внимание, что удар приходился по пробке с иглой перпендикулярно поверхности монеты. Кто скажет, чего недоставало в определении, которое дал ваш одноклассник?

Ученик: Того, что сила должна действовать перпендикулярно площади поверхности.

Учитель: Абсолютно верно.

Второй опыт

Учитель: Теперь приступим ко второму эксперименту.

Оборудование:

• • деревянная линейка 50-70 см;
  • газета;
  • стол.

Описание опыта:

1. На стол положить линейку так, чтобы её конец выходил на 10 см за его край.
2. На линейку положить газету, которая должна плотно прилегать к столу.
3. Если резко ударить по краю линейки она сломается, причем противоположный конец с газетой почти не поднимается. Объясните причину.

Ученик: На газету сверху оказывает давление атмосферный воздух, а при резком ударе он из-за инерции не успевает проникнуть под газету. В результате большой разницы давлений линейка ломается.

Учитель: Молодец, верно. А теперь скажи нам: что называется атмосферным давлением?

Ученик: Воздух вследствие силы тяжести давит на поверхность Земли. Она и находящиеся на ней тела испытывают давление всей толщи воздуха. Это и считается атмосферным давлением.

Третий опыт

Учитель: Хорошо. Перейдем к третьему опыту.

Ответьте на вопрос: как долго будет гореть свеча, если на нижнем её конце закрепить грузик и опустить в сосуд? Обращаю внимание: свеча должна плавать, как поплавок, при этом верхний конец с фитилем чуть выступает над поверхностью воды.

Ученик 1: Скоро огонь потухнет, так как вода его потушит, когда дойдет до уровня пламени под действием тяжести грузика.

Ученик 2: Нет, она сгорит почти вся. Это можно объяснить с законом Архимеда и условиями плавания тел. Ведь в процессе горения постепенно убывает сила тяжести свечи. Для её равновесия выталкивающая сила должна уменьшаться, а это возможно только с подъемом свечи, поэтому она и будет гореть долго.

Четвертый опыт

Учитель: Теперь давайте проведем опыт с картезианским водолазом (педагог показывает эксперимент). Попробуйте объяснить наблюдаемое явление.

Ученик: Это явление объясняется условиями плавания тел. В зависимости от того, с какой силой Вы давите на мембрану, закрывающую мензурку, давление воды на воздух в водолазе увеличивается, и вода попадает в его полость под действием силы тяжести. Когда сила тяжести становится больше выталкивающей – водолаз погружается. И, наоборот, при уменьшении давления со стороны воды на воздух внутри водолаза он всплывает под воздействием выталкивающей силы, превышающей силу тяжести.

Пятый опыт

Учитель: соглашается с объяснением и подготавливает такой эксперимент:

1. Бутылку с широким горлом закрывает пробкой, в которую вставлена воронка.
2. Педагог наливает в бутылку немного воды и просит желающих попробовать долить в неё воды. Ни у кого не получается (секрет в том, что преподаватель использует дырочку в пробке).
3. Далее учитель ставит на стол мензурку с окрашенной жидкостью.
4. Берет изогнутую трубку, имеющую два колена (А и Б) и просит обучающихся перелить в неё часть жидкости из мензурки, чтобы она оказалась в нижней части колена (А). Пользоваться никакими приспособлениями нельзя. Поднимать мензурку, переносить её и наклонять не разрешается.
5. Дается некоторое время на размышление и попытки, а затем задание легко выполняется самим педагогом. Он просит детей объяснить свои действия.

Ученик: Дело в том, что один конец опускается в мензурку, а второй закрывается пальцем – так трубка извлекается из воды. Атмосферное давление поддерживает столб воды снизу, и ничего не выливается. Трубку переворачивают, и вода оказывается в нужном месте под действием силы тяжести.

Слово учителя: На этом наш урок заканчивается. Давайте подведем итоги (дети рассказывают о выводах, к которым они пришли).

Далее проводится небольшой опрос по основным понятиям и законам этого раздела:

• • давление;
  • закон Паскаля;
  • давление столба жидкости;
  • закон Архимеда;
  • условия плавания тел.

Учитель выставляет оценки отвечавшим.

Опыты по электростатике

Очень интересны эксперименты по электростатике учителя физики Р. Н. Насырова из Казани. Он изобрел познавательную игру: запуск летающих фигурок, объемных моделей и управление ими при помощи электростатического поля. Его выступления на выставках и фестивалях неизменно пользовались успехом у детей и взрослых.

Объясняя тему «Взаимодействие электрических зарядов», он показывает своим ученикам, что на основе взаимного отталкивания двух одинаково заряженных тел можно построить модель летающего аппарата.

Этому учителю удалось сделать летающую бабочку. Она была изготовлена из папиросной бумаги и летала несколько секунд на высоте 2-3 см над поверхностью наэлектризованной пластины из оргстекла. Вскоре высоту полета бабочки удалось довести до 10 см, а время – до 30 минут.

Дальнейшие опыты с полосками фольги и бумаги привели к созданию:

• • летающих моделей самолета;
  • ракеты;
  • космического корабля (с космонавтом на борту);
  • НЛО;
  • фигурок птиц;
  • человечков, танцующих в воздухе.

Как сделать летающую фигурку?

1. Простейшую летающую модель вырезают из папиросной бумаги, в форме удлиненного треугольника высотой около 5 см и с длиной основания 1 см.
2. У основания делают небольшую прорезь и отгибают лепестки в разные стороны.
3. Для запуска игрушки и управления ею в полете можно использовать трубку, свернутую из листа лавсановой пленки (разноцветная пленка в листах продается в магазинах театральных принадлежностей: её используют в качестве светофильтров, закрывающих софиты).
4. Трубку электризуют, натирая сухой рукой, и кладут на неё модельку.
5. Приобретая одноименный с трубкой заряд, фигурка отталкивается от неё и взлетает в воздух.
6. Перемещая трубу, управляют движением модели.

На что способны парящие игрушки?

Бумажный самолетик может выполнять фигуры высшего пилотажа: «мертвую петлю», «бочку», «кобру», неподвижно зависать, вертикально взлетать и садиться.

Интересно наблюдать за фигуркой человечка, парящего в воздухе. Она может периодически резко подпрыгивать и плавно опускаться, не касаясь наэлектризованной трубки. Частота прыжков зависит от влажности воздуха и количества ионов в нем, от веса фигурки и её размеров. В одном из опытов число таких прыжков достигло 149.

Неподдельный интерес вызывает летающая бабочка с размахом крыльев 15 см, несущая на спине сказочного героя. В полете она машет крыльями.

Очень эффектно выглядит полет объемных моделей. Их склеивают из узких полосок тонкого металлизированного лавсана в виде ажурных сфер или торов (бубликов). До запуска они выглядят как бесформенные комки серебристых ленточек, но по мере электризации раздуваются, приобретают заданную форму и взлетают. Сфера диаметром 1 метр может достать даже до высокого потолка (от 3 метров). А развернувшийся тор возможно заставить вращаться вокруг центральной оси, наклоняться и двигаться под углом к горизонту.

Правила проведения опытов

1. Опыты с летающими игрушками следует проводить в сухом помещении.
2. Руки и лавсановая трубка также непременно должны быть сухими: влага препятствует электризации.
3. Для запуска трубку берут в правую руку, подбрасывают фигурку, резко проводят левой рукой вдоль всей трубки, натирая и электризуя её, и подносят трубку к падающей игрушке снизу.
4. Фигурка притягивается к трубке, приобретает одноименный заряд и отскакивает вверх, зависая на высоте 30-40 см.
5. Управляют движением игрушки, смещая трубку в сторону, приближая и удаляя её.

Объемные модели запускают аналогичным образом, но при работе с ними трубку приходится натирать несколько раз, создавая заряд, достаточный для разворачивания комка лавсановых ленточек в сферу или тор.

Польза экспериментов по электростатике

Игры с летающими фигурками увлекательны. Они развивают фантазию, помогают выработать координацию движений. Играя в них, дети познают законы природы, законы физики.

Рис. 1. Объемная модель из полосок металлизированного лавсана расправляется в полете.

Дополнительные материалы

• • Лекция «Методы обучения физике: учебный физический эксперимент».
  • Изотов, М. И. Простые физические эксперименты.
  • Горев, Л. А. Занимательные опыты по физике.