Роль физического эксперимента

 

Опыт обучения школьников такому предмету как физика показал весьма значительную роль той части физического эксперимента, которую они выполняют сами. Этот вид учебной деятельности в основном адресован к правому полушарию так же, как и задачи на чувственное восприятие, задачи развивающие воображение, задачи, содержащие элементы неопределённости, активизирующие интуитивные процессы.

Проблемные демонстрации, экспериментальные задачи, практические экспериментальные работы создают конкретно-образный фундамент изучаемым понятиям и процессам, развивают воссоздающее и творческое воображение, навыки мысленного манипулирования с объектами и конструирования, навыки измерений и исследований, интуицию и изобретательские способности. Кроме того, практическое воспроизведение физических процессов и их исследование способствуют также увеличению разнообразия порождаемых ассоциаций, которые являются одним из источников творчества.

Структурная организация физического эксперимента в старших классах (9, 10, 11) следующая:

Традиционный демонстрационный эксперимент отсутствует, т.к. нет объяснения нового материала учителем. Есть в течение всего учебного года во всех классах при анализе теории физический эксперимент, представляющий систему экспериментальных задач от простых до сложных, от решаемых коллективно до выполняемых индивидуально, направленных на развитие различных сторон самостоятельного мышления учащихся.

Во втором полугодии, когда создана достаточная теоретическая база, позволяющая использовать знания учащихся в более широких пределах, в 9-х классах проводится ряд практических работ (11 работ, 22 часа), направленных на приобретение опыта самостоятельной организации эксперимента с элементами теоретического обоснования, определения средств измерений, порядка постановки работы, анализа результатов.

В 10 классе также во втором полугодии ставится ряд практических работ (9 работ, 18 часов) исследовательского характера и работ, направленных на освоение различных методов измерений.

В 11 классе наряду с работами, преследующими те же цели, что и в 10 классе, вводятся работы на оценку экспериментального метода и конструктивных особенностей экспериментальной установки, т.е. работы, направленные на развитие исследовательских и конструкторских навыков (7 работ, 18-20 часов).

 

 

Экспериментальные задачи

 

На начальном этапе обсуждения теоретического материала, по мере необходимости, используются простейшие экспериментальные задачи для коррекции формируемой в сфере сознания информации. По мере увеличения объёма осознанной информации появляется возможность организации более сложных мыслительных операций, где путём анализа и синтеза известных фактов и событий формируются новые понятия. На этом этапе эксперимент используется для формирования проблемы. При обсуждении законов динамики был поставлен эксперимент, когда на двухметровом рельсе, установленном горизонтально, демонстрировалось столкновение двух одинаковых по массе стальных шаров. Опыт повторялся в разных вариантах. Далее перед учениками ставился вопрос:

«По III закону Ньютона шары действуют друг на друга с равными по модулю силами, массы равны, следовательно, модули ускорений тоже равны. Похоже и конечные скорости, как результат взаимодействия должны быть одинаковыми? Однако при каждом опыте мы получаем разные результаты».

Через некоторое время одним из учеников был дан ответ: «От силы зависит ускорение, а не скорость». На просьбу аргументировать ответ, ученик дал объяснение, смысл которого сводился к следующему:

Если V₀ = 0, то, т.к. – постоянная величина при

 

равноускоренном движении, то конечная скорость зависит от интервала времени (Dt) взаимодействия.

Далее в ходе обсуждения было выяснено, что время взаимодействия шаров одно и то же, что, в свою очередь, якобы подтверждало выдвинутое ранее предположение относительно равенства конечных скоростей.

Образовались две полярные точки зрения: одна – силы, массы, ускорения и время равны, следовательно, конечные скорости должны быть равными. Другая связана с результатами эксперимента. В такой ситуации появляется возможность повысить эмоциональное напряжение, или, как говорится, «разжечь страсти». Исчезает равнодушие, концентрируется внимание. В попытках отстоять ту или иную точку зрения ученики приближаются к истине или отходят от неё, но в том и другом случаях они вынуждены выходить за рамки поставленной цели, манипулировать информацией, извлекаемой из памяти, использовать свой опыт в анализе наблюдаемых событий на пути синтеза нового понятия. В итоге в сознании тех и других возникает, оставляет след истинный путь к цели.

Далее события развивались следующим образом. Ученик, высказывания которого приводились выше, не желая быть поверженным в своих убеждениях, предложил следующее доказательство своей правоты:

т.к. m₁=m₂ и время одно и то же, то V₁–V₀₁ = –V₂+V₀₂, если V₀₁≠V₀₂, то V₁≠V₂, т.е. конечные скорости будут разными.

Торжество в глазах ученика и затихший класс, ожидающий реакции учителя. Ученик в своих рассуждениях, по сути, самостоятельно пришёл к закону сохранения импульса, о котором до этого не имел представления. Оставался один шаг до окончательного формирования понятия. Упускать такой момент было нельзя. Если на уроках обсуждения материала физический эксперимент необходим для организации у детей более сложных мыслительных процессов, ибо мышление в действительности идёт от реальных образов и событий к теоретическому в форме понятий, то на уроках практического применения знаний роль и смысл физического эксперимента несколько меняется. На этих уроках учащиеся должны использовать свои знания для самостоятельного обоснования и организации эксперимента с целью проверки идеи или решения практической задачи. Такие задачи чаще даются вместе с теоретическими с правом выбора для ученика той или иной задачи.

Экспериментальные задачи весьма разнообразны по содержанию и могут преследовать различные учебные цели. В качестве примера три задачи:

Задача 1. Каждому ученику даётся отрезок медной проволоки малого сечения и предлагается определить её сопротивление, используя только личные учебные принадлежности (тетрадь, ручку, линейку и т.д.).

Задача 2. Сконструируйте прибор (предложите конструкцию), позволяющий определить силу нормального давления на плоскость при разных углах наклона.

Задача 3. Под стеклянный сосуд с плоским дном, заполненный водой, поместить рисунок, изображение которого наблюдать через линзу, меняя её положение относительно сосуда. Затем опустить линзу в воду и вновь повторить наблюдение, меняя положение линзы вместе с сосудом относительно рисунка. Результаты наблюдений объяснить.

Первая задача относится к категории задач, разрушающих стереотип мышления. Вторая задача, в которой формируемый в сознании образ может быть воплощен в реальный, развивает образное мышление, третья – задача-иллюстрация, развивающая логическое мышление.

Кроме экспериментальных задач во второй половине учебного года предлагается ряд практических работ, направленных на реализацию различных учебных задач.

Так, теоретический материал 9 класса очень удобен для обучения учащихся самостоятельной постановке эксперимента. Перед ними ставится какая-либо задача, например, определить (исследовать) коэффициент трения скольжения. Ученикам известно, что трение возникает между поверхностями движущихся относительно друг друга тел. Поэтому работу начинают с выбора наиболее вероятных движений тел: равномерного или равноускоренного, горизонтального или под углом к горизонту. Выбор делается учащимися без помощи учителя. После чего они самостоятельно получают математическую модель выбранного движения (рис. 10.6).

 

Например: если то

x) 0 = -F_ТР + F, F = F_ТР.

y) 0 = -mg + N, N = mg.

F = mmg;

по итоговой формуле определяют средство измерений (динамометр) и возможные материалы, необходимые для постановки эксперимента. Учитель обеспечивает учащихся всем необходимым, затем они приступают к работе. Оформляют отчёт, рассчитывают погрешность, анализируют работу. Некоторые учащиеся при этом по неопытности выбирают более сложный вариант: ускоренное движение по горизонтальной или наклонной поверхности или равномерное движение по наклонной поверхности. Получив более сложные формулы для определения коэффициента трения, определяющие, в свою очередь, более сложный характер измерений и, поняв нерациональность избранного метода, переходят к более простому. Есть и такие учащиеся, которые выбранный ими метод не меняют. Если эту работу ученики должны были начать, опираясь на мысленный образ или на теоретические представления, то следующая работа поставлена с опорой на реальный образ.

Наблюдая за движением конического маятника (рис. 10.2), нужно было найти способ определения центростремительного ускорения. При построении математической модели реального движения было получено два результата:

1.

 

2. x)

 

y)

 

 

При обсуждении результатов учащиеся быстро пришли к мысли о нецелесообразности такой постановки работы, ибо в том и в другом вариантах есть трудноизмеримые, к тому же не постоянные величины (R и H).

В дальнейшем материал этой работы был использован для вывода самими учащимися формулы периода колебаний нитяного маятника в разделе «Механические колебания». Взамен конического маятника им был предложен прибор иной конструкции, позволяющий исследовать зависимость силы, удерживающей тело на окружности, от его линейной скорости и радиуса траектории, прибор, позволяющий довольно качественно определить все параметры вращательного движения.

Каждая подобная работа имела свои особенности, которые обогащали опыт учащихся в разработке и постановке эксперимента. Общая особенность этих работ в следующем: полная самостоятельность в разработке и проведении, осознанный выбор рационального метода реализации эксперимента.

Работы, выполняемые в следующих классах, направлены на развитие исследовательских навыков, навыков относительно точных измерений малых величин, совершенствование оценки различных методов измерений одних и тех же величин, оценку роли конструктивных особенностей экспериментальной установки в получении результатов измерений.

Для экономии времени выполнения таких работ они снабжены подробными инструкциями. Чтобы проведение работ не превратилось в пародию на достижение поставленной цели, необходим более высокий уровень их постановки, чем рекомендуемый в методической литературе. Необходимы приборы более качественной конструкции, доступной для понимания учащихся.

 

Оценка работы учащихся

 

Существующая пятибалльная система оценки учебной деятельности имеет ряд существенных недостатков, которые являются серьёзной причиной снижения результативности в работе учащихся:

1. Эта система содержит элементы наказания, иначе, принуждения. За что наказывается ученик плохой оценкой? Чаще всего за ошибки, допущенные в работе, но они неизбежны и естественны, тем более при бездумном заучивании, а, следовательно, ненаказуемы.

Наказывается плохой оценкой ученик за то, что предложенная учителем работа не соответствует особенностям его мышления. Например, ученику с развитым образным мышлением очень трудно, а порой просто невозможно решить задачу абстрактного содержания и наоборот. В этих случаях ученик оказывается «без вины виноватым», не говоря о злоупотреблениях со стороны учителя возможностью наказать ученика плохой оценкой.

2. Эта система не способна отразить индивидуальность ученика в работе и, значит, необъективна.

3. Не оценивает, не поощряет активность учащихся в работе.

4. Не стимулирует непрерывный рост учебной деятельности. Получив отличную оценку, содержание которой у разных учителей разное, ученик не видит смысла в дальнейшем совершенствовании своей работы.

5. Выставление четвертных, годовых оценок – это не приближение к истине, а доведённое до предела уравнивание и обезличивание ученика в работе.

Предлагаемая автором система оценки учебной деятельности учащихся используется с 1986 года совместно с пятибалльной и даёт положительные результаты. У учащихся активность и уверенность в работе повысились, возрос интерес к учёбе, исчезло чувство страха, у части учащихся удалось ликвидировать психологический барьер неверия в свои способности, возможности. Полный переход на эту систему дал бы ещё лучшие результаты.

 

Общие особенности системы

 

1. Нет наказания оценкой, есть только поощрение за разные по уровню сложности работы разным количеством баллов. Нет наказания – нет страха, нет страха – нет обмана, нет шпаргалок, нет списывания.

2. Учащимся оставляется право выбора работы и, следовательно, оценки согласно своим возможностям.

3. Оценивается не только качество работы, но и активность в работе.

4. Баллы суммируются, тем самым полнее отражается индивидуальность в работе ученика.

5. Стимулируется рост учебной деятельности, т.к. максимальный балл имеет тенденцию к непрерывному росту.

 

Содержание предлагаемой системы

 

Эту систему можно назвать переходной, т.к. она используется совместно с пятибалльной и поэтому частично сохраняет недостатки этой системы, хотя они и сведены к минимуму.

В переходной системе работа учащихся оценивается следующими баллами: 14, 11, 8, -3, что соответствует 5, 4, 3, 2 по пятибалльной. Такой вариант подбора баллов (14, 11, 8, -3), во-первых, в большей степени согласуется с традиционными правилами выставления итоговых оценок за четверть по прежней оценочной системе, во-вторых, более полно удовлетворяет требованиям к новой системе. Например, в предлагаемой системе расширяется содержание итоговой оценки, она учитывает не только качество ответов, но и количество, т.е. активность в работе. Но, чтобы на итоговый балл преимущественное влияние оказывало всё же качество работы ученика, нужна большая количественная разница между удовлетворительной и отличными оценками.

Регистрация текущей и итоговой успеваемости осуществляется следующим образом. В классный журнал оценки текущей успеваемости выставляются как обычно, по пятибалльной системе. В отдельном журнале или на стенде успеваемости против фамилии каждого ученика выставляется раз в неделю или в две недели суммарный балл. Предположим, ученикам за какой-то период времени в классном журнале были поставлены оценки: одному – 3, 4, 2, 5, а другому – 3, 4, 4, 5, 3, тогда на стенде итоговый балл у первого будет 30 (8+11–3+14), а у второго 63. Следовательно, итоговой оценкой за любой период времени является балл, полученный в результате суммирования всех оценок, что позволяет учитывать не только качество работы, но и активность. Ясно, что в результате суммирования итоговый балл у всех учеников получится разный, очень точно отражающий их личные достижения в работе, то есть, оценка приобретает ярко выраженную индивидуальность. Те учащиеся, которые в течение четверти получили большее количество оценок высокого качества, набирают максимальный суммарный балл. Таких результатов обычно несколько, по ним определяется средний максимальный балл (СМБ). Он необходим для определения границ итоговых оценок за четверть по пятибалльной системе.

Тем учащимся, которые набрали итоговый балл, близкий к СМБ или выше, в журнале за четверть ставится оценка пять; тем, кто имеет баллы в интервале 2/3 СМБ до 1 СМБ, получают оценку 4; те, кто получил баллы от 1/3 СМБ до 2/3 СМБ – 3, и те, кто имеет балл ниже 1/3 СМБ, получают 2.

От СМБ и выше – 5.

От 2/3 СМБ до СМБ – 4.

От 1/3 СМБ до 2/3 СМБ – 3.

Ниже 1/3 СМБ – 2.

Непрерывный рост максимального балла в течение учебного года изменяет содержание любой оценки по пятибалльной системе (цена 3, 4, 5 возрастает), т.е. итоговая оценка перестаёт быть стабильной, меняется критерий выставления этой оценки. Возникает, как выражаются сами учащиеся, «гонка за лидером», что приводит к росту уровня учебной деятельности. Пропуск возможности получить оценку, например, на контрольной работе, равноценен получению двойки: в том и в другом случаях снижается суммарный балл. Поэтому даже при пропуске занятий по уважительной причине учащиеся просят предоставить возможность выполнить работу. Эмоциональная реакция учащихся на предлагаемую систему оценки их знаний более высокая, чем на традиционную. Есть у этой системы и другие существенные особенности, проявление которых связано с характером работы учителя и его личностью.

На разных этапах обучения система используется по-разному. На первом этапе, пока идёт обсуждение и коррекция знаний, отработка навыков использования знаний на практике, деятельность учащихся только поощряется. На таких уроках возникает максимальный диалоговый контакт между учителем и учащимися. В этих условиях на протяжении всего урока необходимо быстро, не нарушая логики обсуждения материала и не нарушая общий ход работы, оценить мысль ученика. Для этого используются жетоны (пластинка красного цвета с отверстием), которые ученик получает за успешную работу. По окончании урока учащиеся вывешивают жетоны против своей фамилии на доске учёта работы. После получения трёх жетонов итоговый балл на доске увеличивается на 14 баллов, а в журнале ставится оценка 5. Нужное количество жетонов ученик может получить и на разных уроках, в этом случае он знает, что не один его хороший ответ не будет пропущен или забыт.

И только на уроках, завершающих изучение какой-либо темы, при выполнении самостоятельных, контрольных, экспериментальных или теоретических работ результаты оцениваются так же, как и в пятибалльной системе (2, 3, 4, 5 или -3, 8, 11, 14). Так как при изучении у учащихся формируются осознанные знания (пусть в разной степени), теряет смысл плохая оценка; она просто не нужна, наказывать не за что.

При полном переходе на предлагаемую систему на любом этапе обучения наказание плохой оценкой возможно исключить; может быть поощрение, стимулирующее рост учебной деятельности, при этом несколько изменяется смысл оценки. Оценка должна зависеть от уровня сложности выполняемой учеником работы. Чем сложнее работа, тем большим количеством баллов она оценивается (что не делается в школе). Оценка должна поощрять творчество, нестандартный подход к решению какой-либо задачи, самостоятельность и оригинальность мысли, иными словами, качество умственной работы, а не просто способность запоминать и воспроизводить учебный материал. Оценка не должна быть только «вынужденной», когда возможность получения оценки целиком зависит от условий, диктуемых учителем. Нужно дать ученику возможность получить оценки за работу по его инициативе. Сделал больше и лучше – больше получил, не сделал ничего – ничего не получил. Что касается ошибок в работе учащихся, то при бездумном заучивании они связаны или просто с незнанием материала (не запомнил, забыл), или с непониманием. При осознанном восприятии материала ошибки имеют другой характер. Это ошибки, допущенные по невнимательности, из-за рассеянности, поспешности, неверной логики рассуждений. В последнем случае справедливо утверждение «на ошибках учатся».

За что же и кого наказывать?

Повторение материала

 

Цель: сформировать окончательную логическую связь между различными разделами физики. Проводится в конце учебного года в четвёртой четверти. На уроках учащиеся самостоятельно выполняют физический практикум по всему объёму изученного за год материала. Параллельно готовят самостоятельно и сдают три зачёта: два – по теории, один – по решению задач. Готовятся к экзамену по выбранной каждым учеником теме.

Итоги работы за год подводятся на экзамене, содержание и проведение которого имеет иной характер, чем традиционный.

 

Проведение экзамена

 

Традиционный экзамен – это проверка механической памяти и умения пользоваться шпаргалкой при значительном психологическом напряжении, это итог, наиболее ярко выражающий суть методики, применяемой в обучении.

В течение нескольких лет в школе № 12 г.Томска автором проводился эксперимент, целью которого была проверка новой для школы формы экзамена, логически связанной с предлагаемой методикой обучения. В основу организации, подготовки и проведения экзамена был заложен принцип: экзамен – не просто проверка знаний, умений, навыков (учителю они хорошо известны и без экзаменов); экзамен – возможность для учащихся максимально раскрыть свои творческие способности, особенности своего мышления, умение анализировать жизненные явления, события, факты с позиции законов природы, используя всю сумму полученных знаний по всем предметам, взяв за основу законы физики. Для создания на экзамене творческой обстановки, свободной работы мысли необходимо было снять чувство страха и неуверенности в своих знаниях, желание показать их, т.е. сохранить ту психологическую атмосферу, которая формировалась в процессе обучения. Для чего в конце третьей четверти учащимся предлагается на выбор 16 экзаменационных тем практического и теоретического характера, в том числе свободная тема.

Каждая тема не имела готового решения и требовала от учащегося самостоятельной работы с различной литературой, её анализа и вывода на основе изученных законов физики, химии, биологии и т.д.

Для разработки тем учащимся необходимо было найти и изучить литературу, подготовить отчёт и защитить результаты перед комиссией, которая поощряла творческое отношение к работе и оформлению (плакаты, снимки, рисунки, макеты).

Поощрялась также самостоятельность мышления и выводы в работах, на этом акцентировалось внимание.

Поощрялось активное участие в процессе экзамена присутствующих школьников (вопросы, мнения, дискуссия). Экзамен проводился в течение двух дней.

Анализ проведённых экзаменов показал, что поставленная цель была достигнута. Было снято психологическое напряжение, стрессовое состояние, наблюдалась явно активизация мыслительного процесса, мобилизация умственных сил, уровень которых доказывает огромную потенциальную возможность умственной деятельности учащихся. Экзамены действительно показали, насколько изменился интеллектуальный уровень учащихся за учебный год.

Экзамены проводились с 8-го по 10-й класс и имели разное содержание. В 8-м классе предлагались темы, которые позволяли проверить способность учащихся к анализу, систематизации, обобщению теоретического и экспериментального материала на доступном для них уровне, умение устанавливать смысловую связь между понятиями, сформированными при изучении химии, биологии, физики и т.д.

Примеры тем:

I. Экспериментальные работы с элементами исследования с последующим теоретическим анализом:

1. Предложить продемонстрировать и объяснить с точки зрения физики установку, в которой жидкость при температуре кипения и нормальном давлении кипеть не будет.

2. Предложить схему по практической проверке закона Ома для участка цепи и получить графическую зависимость тока от напряжения и сопротивления, проанализировать результаты.

II. Работы теоретического содержания, определяющие место физики в природных процессах и явлениях, а также связь физики с другими науками:

1. Перечислить и описать физические процессы при прохождении тока в металлических и жидких проводниках.

2. Какой формы посуда для приготовления пищи применяется в быту и почему? Предложите собственную форму, (конструкцию) посуды, более совершенную, с вашей точки зрения.

3. Оптические явления в живой и неживой природе.

В 9-м классе проверялась способность к построению математических моделей реальных и воображаемых процессов.

Примеры тем:

I. Экспериментальные работы:

1. На основе выбранной математической модели осуществить экспериментальное исследование коэффициента трения скольжения, качения. Дать анализ результатов. При этом проверялась способность к самостоятельной разработке и постановке эксперимента.

II. Работы по математическому моделированию реальных и воображаемых процессов:

1. Разработать полную математическую модель движения тела по вертикальной петлеобразной траектории. Изготовить действующую модель.

2. Математическая модель механического движения какого-либо живого организма. (На экзамен были представлены две работы: движение горнолыжника и движение мухи по стене и потолку).

В 10-м классе проверялась способность к более глубокому анализу и обобщению теоретического и экспериментально-исследовательского материала.

Примеры тем:

I. Практической направленности:

1. Исследование электрического поля в неоднородной по удельному сопротивлению среде.

2. Исследование зависимости коэффициента поверхностного натяжения жидкости от температуры, примесей.

II. Теоретической направленности:

1. Влияние электромагнитных полей на живые организмы.

На основе анализа работ, в том числе экзаменационных, у одних и тех же учеников в течение трёх лет делались выводы об изменении их мыслительных способностей в процессе обучения. Заметные изменения наступают на второй год обучения: возрастала скорость мыслительных операций, увеличился уровень аналитико-синтетической деятельности, продуктивность умственной работы при сохранении индивидуальных различий и особенностей, изменения которых наблюдались позднее.

Учащиеся без предварительной подготовки в среднем могли воспроизвести 85 – 90 % информации, изученной год назад.