CC BY
122
УДК 372.02
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ КАК СРЕДСТВО ОБУЧЕНИЯ СТАРШЕКЛАССНИКОВ РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ (УГЛУБЛЁННЫЙ УРОВЕНЬ)
© 2018
Тищенко Людмила Викторовна, соискатель центра естественнонаучного образования Институт стратегии развития образования Российской академии образования (105062, Россия, Москва, улица Макаренко, 5/16, e-mail: alis11108@yandex.ru)
Аннотация. Обучение старшеклассников осознанному решению учебных физических задач посредством экспериментального практикума актуально в настоящее время. Умения применять знания в незнакомых условиях, самостоятельно планировать и проводить исследование физических, математических, компьютерных моделей явлений, преодолевать познавательные затруднения являются основой готовности выпускника к непрерывному образованию и самообразованию, что необходимо для его адаптации к динамике современной жизни. В методике преподавания физики существуют формы организации активной учебно-познавательной деятельности старшеклассников, способствующие освоению знаний до уровня практического применения. Одна из них, практикум по решению задач - форма учебного процесса, основанная на активной мыслительной деятельности обучающихся, позволяющая применить теоретические знания к решению учебных проблем. Другая, физический практикум - эффективная форма, позволяющая старшеклассникам самостоятельно исследовать физические явления, принять участие в их развитии, обсудить с одноклассниками и учителем изучаемые явления, физические законы, описывающие явления. В этом аспекте статья посвящена проблеме обучения старшеклассников осознанному решению учебных физических задач посредством экспериментального практикума - как экспериментальный практикум по физике (лабораторный практикум и практикум исследования физических процессов при помощи компьютерного моделирования), который способствует обучающимся обобщенными знаниями, приводящими к пониманию сущности происходящих физических явлений и законов, применению предметных знаний в нестандартных ситуациях, учить старшеклассников самостоятельно ставить цели своей деятельности.
Ключевые слова: учебно-познавательная деятельность на уроках физики, экспериментальный практикум, практикум по решению физических задач, методика обучения физике, компьютерное моделирование.
EXPERIMENTAL PRACTICAL WORK ON PHYSICS AS A MEANS OF TEACHING HIGH SCHOOL STUDENTS TO SOLVE PROBLEMS (ADVANCED LEVEL)
© 2018
Tischenko Ludmila Viktorovna, applicant of the Center for Natural Science Education Institute for the Development Strategy of Education of the Russian Academy of Education (105062, Russia, Moscow, Makarenko Street, 5/16, e-mail: alis11108@yandex.ru)
Abstract. The training of high school students by the informed decision of the training courses in the experimental workshop is actual at the present time. Skills to apply knowledge in unfamiliar conditions, independently plan and conduct research of physical, mathematical, computer models of phenomena, overcome cognitive difficulties that can be achieved if it is necessary for its introduction to the dynamics of modern life. In the methodology of teaching physics, there are forms of organizing active learning and cognitive activities of high school students, helping to master knowledge to the level of practical application. One of them, a workshop on problem solving, is a form of educational process based on active thinking activity of students, which allows applying theoretical knowledge to the solution of educational problems. Another physical practice is an effective form that allows high school students to independently investigate physical phenomena, take part in their development, discuss with classmates and the teacher the phenomena studied, physical laws describing phenomena. In this aspect, the article is devoted to the problem of teaching high school students an informed decision of educational physical problems through an experimental workshop - as an experimental practical work on physics (laboratory practice and practical work on the study of physical processes by computer simulation) contributes to mastering the generalized knowledge of the students, leading to an understanding of the essence of the occurring physical phenomena and laws, the application of subject knowledge in non-standard situations and how to teach high school students to independently set the goals of their activities.
Keyword: educational cognitive activity at physics lessons, an experimental practical work, a workshop on the solution of physical tasks, a technique of training in physics, computer modeling.
Во всех сферах общественной и производственной деятельности сегодня в первую очередь востребованы специалисты, проявляющие самостоятельность мышления, творческую активность, готовность к непрерывному образованию и самообразованию.
Введение. Современное общество очень динамично, его развитие сопровождается постоянными преобразованиями, часто возникающими инновационными процессами, которые требуют от человека понимания происходящего, глубокого анализа, научного прогнозирования, точного обоснования принимаемых решений. Быстрое обновление и развитие техники, постоянное совершенствование и изменение технологий - все эти факторы ведут к тому, что современному старшекласснику недостаточно запомнить определенную сумму знаний, ему для быстрой адаптации к современным реалим необходимо уметь мыслить, иметь необходимый уровень развития познавательных, интеллектуальных и творческих способностей, уметь находить выход из незнакомых ситуаций. Уместно вспомнить слова немецкого физика Макса фон Лауэ: «Образование - то, что остаётся, когда всё выу ченное уже забыто»._
Федеральный государственный образовательный стандарт среднего общего (полного) образования, основой которого является системно-деятельностный подход в обучении, главным результатом образования полагает развитие способности обучающихся к продуктивной деятельности в различных жизненных ситуациях с применением своих знаний и умений [1], а критерием усвоения знаний считает доведение их уровня практического применения.
Умение решать физические задачи важным криетри-ем оценки достижений результатов обучения. Методы и приёмы решения задач нашли отражения во многих работах ученных, методистов и преподавателей образовательных учреждений. Так, методы решения физических задач определены в трудах С.Е. Каменецкого и В.П. Орехова [2]. Система методов обучения решению задач, основанная на использовании образовательного потенциал учебных физических задач [3]; в трудах авторов [4; 5] обоснована концепция обучения решению задач по физике, основанная на методе ключевых ситуаций; выявлены способы выделения протекающего в задаче физического явления и построения физической
модели ситуации задачи [6]; в работе [7] предложена методика обучения студентов вузов и старшеклассников решению физических задач с помощью компьютера в качестве современного инструментального средства; разработана методика обучения решению задач высокого уровня сложности [8]; сформулированы рекомендации по подготовке школьников к участию в олимпиадах по физике разных уровней [9].
Методике проведения физического лабораторного практикума посвящны многочисленные исследования, в которых обоснована методика организации физического практикума [10]; предложена форма выполнения практикума в классах с углублённым уровнем изучения физики как отдельного предмета [11]; выявлены критерии отбора содержания физического практикума, выполняемого как учебно-исследовательские работы [12]. Методика проведения уроков, объединяющих решение задач и лабораторный практикум, экспериментально проверяющий решённые задачи, аргументирована в работе [13]; предложены работы физического практикума, проводимого в формате кружка [14]; разработана организация экспериментальных работ по физике с использованием моделирования графичесикх зависимостей функций и кривых сложной формы [15]; рассмотрены работы для самостоятельного исследования с использованием ФГОС-лаборатории [16]; описан практикум для индивидуальной работы с ноутбуком, в котором в ходе лабораторного эксперимента измерения реальных датчиков поступают в компьютер, с помощью которого школьники обрабатывают, хранят, оформляют данные [17] для графической визуализации результатов эксперимента.
Примерная основная образовательная программа среднего общего образования для изучения физики на углублённом уровне предусматривает для старшеклассников:
1. Активную экспериментальную деятельность через самостоятельного планирования и проведения физического эксперимента, в ходе которого обучающиеся конструируют установки для проверки выдвинутых гипотез, описывают и анализируют полученную информацию, определяют её достоверность, делают выводы.
2. Усиленное решение задач через решения практи-ко-ориентированных качественных и расчётных физических задач с опорой как на известные физические законы [1], закономерности и модели [4], так и на тексты с избыточной информацией; решение задач олимпиадно-го уровня сложности.
3. Выбор обучающимися адекватной предложенной задаче физической модели и объяснение условий применения данной модели; разрешение проблемы по вы-бронному модели как на основе имеющихся знаний, так и при помощи методов оценки [18].
Таким образом, как показывает педагогическая практика, анализ методической, психолого-педагогической литературы, документов СОО, практикум по решению задач и физический лабораторный практикум являются актуальными формами учебной деятельности старшеклассников при углубленном уровне изучения физики в свете требований ФГОС СОО, способствующими не только всестороннему развитию обучающихся, но и реальному приложению их знаний и умений к ситуациям, диктуемым жизнью. Кроме того, именно умение решать задачи является фактором успешности сдачи ЕГЭ по физике, возможности получения дальнейшего профессионального образования.
Многолетняя исследовательская работа, личный опыт преподавания физики в школе, ежегодное участие в проверке работ ЕГЭ по физике в качестве эксперта, анализ методической, психолого-педагогической литературы обнаруживают, что именно при решении задач по физике и выполнение работ физического практикума вызывают наибольшие затруднения обучающихся старших классов [19; 20]. При анализе затруднений выявле-
но много общего в причинах их возникновения, что отражено в таблице 1.
Таблица 1 - Причины затруднений старшеклассников (углублённый уровень)
Причины затруднений старшеклассников (углублённый уровень)
при решении физических задач при выполнении физического практикума
1. Не понимают или поверхностно понимают сущность физических явлений и законов; выучивают теорию, не вникая в физику явлений. 1. Плохо понимают последствия физических явлений, не могут объяснить принцип действия технических устройств, пренебрегают техникой безопастности при работе с различными приборами.
2. Не выделяют существенные признаки физических явлений; плохо работают с моделями явлений, не видят за задачами - моделями явлений и процессов, реальных физических явлений и процессов; 2. Старшеклассники, «находясь в виртуальном пространстве», теряют ощущение реальности; используют компьютерные практикумы - интерактивные мультфильмы - готовые модели - легко получают любые физические результаты, виртуально наблюдают явления, при этом часто не имеют понятия об изучаемых физических процессах [20].
3. В задачах с развёрнутым ответом, для решения которых требуется глубокое понимание законов физики, затрудняются видеть проблему, ставить цель деятельности, планировать решение задачи. 3. В реальной экспериментальной деятельности затрудняются самостоятельно формулировать цель исследования, планировать и проводить физические эксперименты.
4. Автоматически применяют физические формулы, не понимают сущности физических величин, не осознают взаимосвязи между величинами. 4. При использовании компьютерных технологий на уроках и внеурочной деятельности обучаемые выступают в качестве пользователей, самостоятельно ничего не создающих; не осваивают большинство технических возможностей образовательного потенциала компьютера, планшета, колькулятора и т. д., активно не применяют данные устройства как рабочие инструменты своей учебной деятельности.
5. Предпочитают решать задачи по известному алгоритму; не могут разбить задачу на подзадачи, сведя незнакомую задачу к ряду известных задач. 5. Старшеклассники классов с углублённым изучением физики с большим трудом выполняют или не могут выполнить вообще экспериментальную работу без подробной пошаговой инструкции или без подсказки учителя.
6. Теряются в нестандартных ситуациях, часто зная приём решения задачи, не пользуются им без специального требования со стороны учителя. Как писал Д.Б. Эльконин, «можно много знать, но при этом не проявлять никаких творческих способностей, т.е. не уметь самостоятельно разобраться в новом явлении» [21, с. 55]. 6. При работе с реальными приборами, затрудняются собирать экспериментальные установки для проверки гипотез; при выполнении лабораторного эксперимента с трудом описывают и анализируют полученную в результате проведенных физических экспериментов информацию, чтобы определить её достоверность (подтвердить положение гипотезы или опровергнуть и т. д.).
Указанные выше затруднения выявляют результаты ЕГЭ по физике: значимым является диапазон результатов от 61 до 100 баллов. Выпусники, набравшие такие баллы, успешно продолжать образование в вузе по физическим и техническим специальностям. В 2016 году группа одиннацатиклассников, набравших более 61 балла, составила 15,28 % от общего числа. Как показывает практика, ведь именно такие выпускники востребованы при поступлении в инженерно-физические, технические, военные вузы для получения профессий,
необходимых для науки, техники, производства, связи, военного дела [22].
Противоречие. Таким образом, в современных условиях существует противоречие между объективной необходимостью практического применения знаний старшеклассниками при решении учебных физических задачи реальными затруднениями в понимании обучающимися физических явлений задачи, в переводе ситуации задачи на физический язык, в замене объекта задачи физической моделью, в применении необходимых математических методов решения.
Постановка проблемы. Указанное противоречие обусловило проблему нашего исследования: как организовать процесс обучения физике (углублённый уровень), развивающий умение старшеклассников осознанно решать задачи по физике, а именно: понимание физических явлений, описанных в задачах; моделирование реальных процессов; адекватное применение физических законов и математических методов при решении задач.
Учитывая всё вышеизложенное, организуем процесс обучения физике в старших классах (углублённый уровень), развивающий умение обучающихся осознанно решать физические задачи, посредством практикума по физике как двухкомпонентной системы:
1. Экспериментальный практикум.
2. Практикум по решению задач.
Основное содержание. В методике преподавания физики лабораторный практикум и решение задач существуют практически независимо друг от друга. Нами разработана методика обучения физике в старших классах (углублённый уровень), сочетающая экспериментальный практикум (лабораторный практикум и исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования) и решение физических задач.
Экспериментальный практикум и решение задач реализуются при помощи соответствующих уроков, перестроенных в соответствии с системно-деятельностным подходом, как требование нового ФГОС. Несмотря на различие уроков с точки зрения целей, теоретических и практических предметных знаний и умений старшеклассников, все уроки объединяет единая методика их проведения на основе научного метода познания. Схема уроков-практикумов по физике и методика их проведения отражены в публикациях [19; 20; 23; 24].
Экспериментальный практикум выполняется не в конце годового или полугодового курса, как итоговое повторение, а в процессе изучении новой темы и способствует пониманию и усвоению обучающимися физических явлений, обоснованному применению законов и уравнений. В процессе реализации практикума в процессе учебно-исследовательской деятельности изучаются различные стороны физических явлений, сочетая количественные и качественные методы анализа. После выполнения экспериментального практикума обучающиеся переходят к его теоретической интерпретации - решению физических задач. Таким образом, экспериментальный практикум, на наш взгляд, является основой, ядром методики обучения решению физических задач.
Получение новых знаний является основной целью реализации экспериментального практикума при изучении физики старшеклассниками. Прежде чем приступить к решению задач по теме (например, «Электромагнитные колебания»), обучающиеся экспериментально изучают «ключевые ситуации», на которых основано большинство теоретических задач темы [4; 5]. Школьники опытным путём исследуют реальную физическую ситуацию, актуализирующую определенный комплекс знаний, необходимый для усвоения данной темы.
Лабораторный практикум «вписываем» в учебный материал, начиная изложение каждой новой темы с работ практикума, причём при выполнении следуем этапам схемы научного метода познания. Лабораторные практикумы реализуют учебно-исследовательскую
деятельность старшеклассников. Её развитие актуально для обучения школьников решению задач, т. к. любая физическая задача представляет собой мини-исследование. Лабораторный практикум осуществляет главную функцию в обучении физике: обучающиеся на основе научного метода познания самостоятельно исследуют физические явления. Регулярное применение научного метода понания в учебных исследованиях являются основой развития учебно-исследовательских умений старшеклассников.
Лабораторный практикум имеет особенности:
1) самостоятельная постановка обучающимися цели исследования;
2) самостоятельная разработка плана выполнения работы;
3) обязательное наличие «лишних» приборов в комплекте, что принципиально для обучения постановке цели исследования;
4) проведение работы без предоставления старшеклассникам подробной пошаговой инструкции, что позволяет обучающимся предлагать свои варианты реализации работ. Эта главная особенность лабораторного практикума позволяет выстроить методику обучения постановке цели, проектированию способов её достижения в экспериментальных исследованиях, что актуально для овладения научным методом познания.
Практическая часть. При подготовке лабораторного практикума отбираем оборудование из любого комплекта оборудования: «ФГОС-лаборатории» [16], из комплекта <^-микро» или любого другого. В соответствии с принципом оптимального сочетания цифровых, аналоговых и компьютерных средств [17], в комплект необходимо включить компьютерные датчики, планшет со встроенной измерительной системой, обычный компьютер или ноутбук [17]. Применение компьютерных датчиков при проведении эксперимента вносит ряд преимуществ, сред которых быстрое, с большой точностью, с многократным повторением измерение величин; возможность подключения сразу нескольких датчиков и измерения нескольких параметров одновременно; поступление данных на планшет, на котором установлена измерительная система, что позволяет автоматически обрабатывать поступающие выходные параметры. Информация о результатах лабораторного эксперимента выводится на экран в виде таблиц, диаграмм, графических зависимостей. Старшеклассники анализируют полученные числовые данные, рассчитывают необходимые величины, аппроксимируют графические зависимости величин, изменяют масштабы построения графиков, рассматривают отдельные участки. Информацию об эксперименте копируют на компьютер, сохраняют, обрабатывают, систематизируют необходимые файлы. Отчёт о работе формируют в электронном виде, при необходимости, материал распечатывают [19].
Например, изучение темы «Электромагнитные колебания» посредством лабораторного практикума происходит через выполнения цикла работ «Исследование электромагнитных колебаний».
1. «Исследование зарядки и разрядки конденсатора». Собрав контур, состоящий из конденсатора, источника тока, ключа, обучающийся наблюдает на планшете графическую зависимость разряда конденсатора, видим, что колебания не возникают. Делает вывод о невозможности получения электромагнитных колебаний в CR-контуре.
2. «Исследование возникновения электромагнитных колебаний в контуре». Необходимо добавить в контур катушку индуктивности и наблюдать на экране планшета возникновение электромагнитных колебаний, причем затухающих. Вывод о возможности получения свободных электромагнитных колебаний в CLR-контуре и обсуждаем роль катушки индуктивности в колебательном контуре. Данная работа очень наглядна,
способствует осознанию обучающимися физических процессов в колебательном контуре.
3. «Исследование вынужденных электромагнитных колебаний в контуре». Добавляем в собранный ранее контур генератор переменного напряжения, электронный осциллограф. Наблюдая возникновение незатухающих электромагнитных колебаний, обучающиеся далают вывод о возможности получения вынужденных электромагнитных колебаний в CLR-контуре.
4. «Исследование резонанса в последовательном колебательном контуре». Меняя параметры колебательного контура, обучаемые наблюдают явление резонанса при помощи ^В-осциллографа, при этом измеряют резонансную частоту.
5. «Изучение фазовых соотношений силы тока и напряжения в последовательном колебательном контуре». Для этого нужно собирать последовательный колебательный контур, а затем подключить колебательный контур к генератору переменного напряжения. К активной и индуктивной нагрузкам подключаем двухканальный ^В-осциллограф, наблюдаем фазовые соотношения колебаний силы тока и напряжения, делаем выводы. Наблюдаем фазовые соотношения колебания силы тока и напряжения на активной и ёмкостной нагрузках, индуктивной и ёмкостной нагрузках, в последней случае фиксируем наступление резонанса. Делаем вывод о фазовых соотношениях вынужденных электромагнитных колебаний в CLR-контуре.
6. «Исследование зависимости КПД трансформатора от нагрузки». Подключаем к генератору переменного напряжения трансформатор. При помощи мультиметра обучающиеся измеряют напряжения и силы тока на первичной и вторичной обмотках при холостом режиме трансформатора, вычисляют коэффициент трансформации. Нагружаем трансформатор, изменяя сопротивление на вторичной обмотке, измеряют напряжения и силы тока на первичной и вторичной обмотках в рабочем режиме трансформатора, рассчитываем коэффициент полезного действия трансформатора в зависимости от нагрузки, делают выводы.
Остановимся подробнее на работе (например на работе № 4) лабораторного практикума «Изучение резонанса в последовательном колебательном контуре».
Оборудование: высокочастотный функциональный генератор ФГ-100, осциллограф, компьютер, ключ, мультиметр, плата для установки конденсаторов, конденсатор 4,7 мкФ, конденсаторы 1 мкФ - 6 шт., катушка индуктивности 1,2 Гн, резисторы 68 Ом, 360 Ом.
1-й вариант выполнения работы. Последовательный колебательный контур ученики подключают к выходам генератора переменного тока частотой 50-60 Гц. Ёмкость контура меняют параллельным подключением конденсаторов 1мкФ в гнёзда платы, изменяя собственную частоту контура. При помощи мультиметра измеряют напряжение на резисторе. В таблицу учащиеся вносят величины: ёмкость батареи конденсаторов, напряжение, силу тока в резисторе, ёмкостное, индуктивное сопротивления контура, собственные частоты контура при разных значениях ёмкости. Затем ученики строят резонансную кривую, определяют резонансную частоту. Сравнивают её с частотой внешнего напряжения. Если позволяет время, строят резонансную кривую для большего активного сопротивления. Делают выводы.
2-й вариант выполнения работы. Последовательный колебательный контур старшеклассники подключают к выходам генератора переменного тока, на котором выставляют частоту 5 Гц. Ёмкость контура устанавливают произвольным подключением конденсаторов 4,7 мкФ, любого числа конденсаторов 1 мкФ в гнёзда платы, тем самым задают собственную частоту контура. Используя генератор, учащиеся изменяют внешнюю частоту переменного напряжения, которую фиксируют при помощи ^В-осциллографа. Мультиметром изме-
ряют напряжение на резисторе. В таблицу ученики вносят величины: ёмкость батареи конденсаторов, напряжение, силу тока в резисторе, ёмкостное, индуктивное сопротивления контура, частоты внешнего напряжения. Строят резонансную кривую, определяют резонансную частоту. Сравнивают её с собственной частотой контура. Сравнивают ёмкостное, индуктивное сопротивления контура при резонансе, строят в одной системе координат графики зависимости реактивных сопротивлений от частоты, определяют резонансную частоту. Если позволяет время, проводят дополнительные измерения и строят резонансную кривую для большего или меньшего активного сопротивления, для большей или меньшей ёмкости конденсатора. Делают выводы.
В процессе выполнения лабораторного практикума старшеклассники выполняют действия:
- постановка цели исследования; формулировка познавательной задачи;
- решение познавательной задачи путем теоретических рассуждений с выдвижением гипотезы;
- постановка вопросов и их решение;
- разработка идеи эксперимента и проектирование экспериментальной установки;
- планирование действий с лабораторной установкой;
- проведение лабораторного и компьютерного экспериментов получение результатов эксперимента и их обработка.
Часто старшеклассники предлагают разные варианты выполнения работы, потому что делают лабораторный практикум без подробных инструкций.
Всё вышеизложенное способствует пониманию обучающимися сути физических явлений и законов, получению обобщённых знаний о явлениях, осознанному применению формул и пониманию взаимосвязи между физическими величинами. Большой объём материала обучающиеся постигают самостоятельно, задавая себе, напарнику практикума, учителю вопросы, что является основополагающем в процессе познании. Как показывает практика, работы выполняются старшеклассниками с большим интересом. Многократное практическое применение научного метода познания при выполнении работ помогает старшеклассникам овладеть методом познания мира «в самостоятельной познавательной деятельности» «как инструментом для самостоятельных суждений в обучении и жизни» [25, с. 26], что актуально для развития умения решать физические задачи. Лабораторный практикум является ядром, объединяющим целую группу задач определенной темы, средством, с использованием которого ученики и учатся решать задачи, и сами их конструируют в процессе выполнения работ практикума. Всё это и даёт ключ к дальнейшему решению задач по данной теме, становится ядром для решения теоретических физических задач.
Вторая компонента экспериментального практикума - исследование физических процессов на основе компьютерного моделирования - выполняется на уроках информатики после изучения соответствующей темы на уроках физики. Помимо вышеизложенного на этих уроках-практикумах старшеклассники учатся выделять существенные признаки физического явления, применять на практике моделирование как метод научного познания. Обучающиеся создают свои собственные графические модели в компьютерной среде; проводят эксперимент по исследованию процесса; работают с компьютерной моделью в активном режиме, добывая новую информацию о явлении; учатся видеть реальные явления за моделями, сравнивать и анализировать результаты лабораторного и компьютерного экспериментов. Старшеклассники приобретают опыт работы с массивами данных, таблицами, графиками, что так же актуально для решения задач. Обучающимся часто приходится ставить самим себе множество вопросов и их решать.
Урок исследования физических процессов на основе
компьютерного моделирования имеет особенности:
1) самостоятельная постановка обучающимися цели исследования;
2) применение моделирования как метода научного познания природы;
3) выполнение работ без предоставления инструкций;
4) создание старшеклассниками собственной компьютерной программы;
5) проведение компьютерного эксперимента, исследование физического процесса при помощи компьютерной модели;
6) сравнение и анализ результатов лабораторного и компьютерного экспериментов.
При исследовании физических процессов на основе компьютерного моделирования обучающиеся создают собственные идеальные модели, изучают их свойства, работают с моделями как с реальными объектами, экспериментально проверяют правильность гипотез, придумывают собственные опыты и реализуют их на практике. Всё это способствует развитию школьников в процессе обучения.
На уроках исследования физических процессов на основе компьютерного моделирования следуем этапам:
1. Постановка задачи на основе изучения реального физического процесса (например: выявить зависимость амплитуды силы тока в последовательном колебательном контуре от частоты переменного тока).
2. Построение математической модели путём выбора необходимых для решения задачи физических величин, составление системы уравнений на основе физических законов, необходимой для исследования процесса, задание параметров, входящих в уравнение и дополнительных условий для однозначного решения этой системы уравнений.
3. Решение системы уравнений и выяснение числа постоянных и переменных параметров, диапазона их изменения.
4. Разработка алгоритма решения: обычно используется алгоритм расчёта параметров по определенным уравнениям, полученным в результате решения исходной системы уравнений; в некоторых случаях используется алгоритм численного решения системы уравнений.
5. Разработка программы и её отладка. Компьютерные модели разрабатываем в среде программирования VisualBasic, Pascal или приложении Excel в зависимости от возможностей учащихся данного класса.
6. Компьютерный эксперимент и анализ его результатов. Эксперимент повторяется многократно при различных значениях параметров, результаты анализируем, обобщаем, сохраняем, оцениваем погрешность эксперимента. Полученные результаты и выводы сравниваем с результатами лабораторного эксперимента [26].
Практическая реализация задач и результаты. Следует отметить, что использование компьютерных технологий при исследовании физических процессов после завершения реального физического эксперимента оправдано (иной раз просто необходимо), потаму что на лабораторном практикуме старшеклассники проводят эксперимент на реальных приборах, а на уроках исследования физических процессов - компьютерный эксперимент реализуется с помощью моделей (моделирование физических процессов и явлений).
Например, при изучении темы «Электромагнитные колебания» создаем следующий цикл компьютерных моделей «Исследование электромагнитных колебаний».
1. «Исследование модели зарядки и разрядки конденсатора».
2. «Исследование модели свободных электромагнитных колебаний в контуре».
3. «Исследование модели вынужденных электромагнитных колебаний в контуре».
4. «Исследование модели резонанса в последовательном колебательном контуре».
5. «Изучение модели фазовых соотношений силы тока и напряжения в последовательном колебательном контуре».
6. «Исследование модели зависимости КПД трансформатора от нагрузки».
Остановимся подробнее на работе № 4 практикума «Исследование модели резонанся в последовательном колебательном контуре».
- для создания графической модели рассматриваем последовательную электрическую цепь переменного тока, содержащую резистор, конденсатор и катушку;
- выделяем существенные признаки явления: при резонансной частоте ю резиндуктивное сопротивление катушки оказывается равнм ёмкостному сопративлению конденсатора;
- амплитуда силы тока становится максимальной;
- для формализации модели используем закон Ома для последовательной цепи переменного тока;
- анализируем уравнение, определяем постоянные и переменные величины, строим графическую зависимость 1т(ит) как исходную резонансную кривую, например, в среде программирования Рascal;
- изменяем параметры R, L, С, исследуем зависимость амплитуды силы тока от этих параметров.
Компьютерное моделирование, как экспериментальный практикум, тренирует старшеклассников выделять существенные признаки физических явлений, моделировать реальные процессы, применять физические законы и математические методы на практике, представлять информацию в знаковом и графических видах. Всё это даёт обучающимся глубокое осознанное понимание темы курсы физики, необходимое для решения теоретических физических задач.
Экспериментально исследовав явление, рассчитав необходимые физические величины, построив графические зависимости по результатам лабораторного и компьютерного экспериментов, подготовив и защитив результаты своей работы при отчёте учителю, старшеклассники отрабатывают и усваивают явления, законы, уравнения на практике - базовые понятия для освоения «ключевых ситуаций» - осознанно. Это позволяет обучающимся успешно решать физические задачи, что отрабатываем на практикуме по решению задач.
Решение теоретических задач реализует важнейшую функцию: применить знания на практике, опираясь на активную мыслительную деятельность старшеклассников. Решение задач - важная процедура получения информации об учебной деятельности школьника, о её результатах, обратная связь обучающийся-учитель. Современный класс представляет собой группу школьников с неоднородным уровнем способностей, мотивов обучения, возможностей, жизненных целей, поэтому на уроках решения задач необходимо использовать задачи разного уровня сложности.
Для организации практикума по решению задач в классах с углублённым изучением физики применяются систему уроков-практикумов, на которых используем систему задач разных уровней сложности заданий: базовый, повышенный и высокий.
Уроки решения физических задач имеют особенности:
1) самостоятельная постановка обучающимися цели деятельности;
2) анализ старшеклассниками ситуации задачи, представление ситуации задачи как модели реального явления, физическую сущность которого изучили на лабораторном практикуме и исследовании процессов на основе компьютерного моделирования, ставшими ядром для решения большого класса задач, в том числе, задач ЕГЭ по физике;
3) выделение обучающимися существенных признаков физических явлений, представленных в задачах; нахождение способов согласования явлений друг с другом; применение необходимых методов при решении задач;
4) представление ситуации задачи в знаковой и графической формах с использованием умений, полученных при выполнении экспериментального практикума.
5) самостоятельный выбор задач определённого уровня сложности.
Цели уроков-практикумов порешению задач для обучающихся:
1) самостоятельно ставить цель учебной деятельности, выбирая уровень сложности задач, при самостоятельном решении;
2) понимать, что задача - модель реального явления и для решения необходимо выбирать существенные признаки явления, строить план ее решения;
3) объяснять условия применения физических моделей при решении физических задач, находитьь адекватную предложенной задаче физическую модель;
4) отбирать и применять физические понятия и законы, необходимые для решения задачи;
5) применять математические методы решения, соответствующие выбранной физической модели,
6) развивать умения применять на практике самостоятельно полученные знания; активизировать самостоятельную мыслительную деятельность.
Рассмотрим подходы к решению задач на примере темы «Вынужденные электромагнитные колебания». Рассмотрим типы ключевых задач согласно требованиям к основным умениям и способам действий по спецификации КИМ ЕГЭ 2017.
1. Умение описывать и объяснять физические явления.
Базовый уровень.
Задача. Последовательно соединены конденсатор, катушка индуктивности и резистор. Как изменяется амплитуда силы тока, если при неизменной частоте и амплитуде колебаний напряжения на концах цепи увеличивать ёмкость конденсатора от 0 до
Ответ: При увеличении ёмкости конденсатора, уменьшается собственная частота контура. При совпадении её с частотой внешнего напряжения, происходит резонанс, амплитуда силы тока, при котором достигает максимума. Амплитуда силы тока будет сначала возрастать до резонансной, потому убывать.
2. Умение описывать и объяснять физические явления, интерпретировать результаты опытов (представленных в виде графиков, таблиц).
Повышенный уровень.
Задача: По графику, изображенному на рисунке, найдите ёмкость конденсатора колебательного контура, если индуктивность катушки 8 мГн [27].
L A' ■
0,05
\
V
0 О V / i \ \4 1<K
-0,051
0,5мкФ, катушка индуктивностью 0,5 Гн. Действующее значение напряжения на выходе генератора равно 100 В. Чему будет равна сила тока в цепи при резонансе? [27].
Ответ: 10 А.
Комментарий. Школьники экспериментального класса усвоили суть явления «резонанс», не используют громоздкие формулы. Обучающиеся проверили и осознали на экспериментальном практикуме, что при резонансе векторная сумма индуктивного и емкостного напряжений равна нулю, а сила тока определяется согласно простой формуле: , _ ¡^я. Как показал педагогиче-
в
ский эксперимент, в контрольных классах многие обучающиеся не видят в описании задачи явления «резонанс», не справляются с предложенной задачей.
Повышенный уровень.
Задача. На участке цепи 1-2-3 проходит переменный ток (рисунок 2). Действующее значение напряжения на участке 1-2 равно 30 В, на участке 2-3 равно 40 В. Чему равно действующее значение напряжения на участке 1-3? [26].
Рисунок 2 - Участок цепи переменного тока
Ответ: 50 В (не 70 В)
Комментарий. Ученики экспериментального класса усвоили суть явления, понимают наличие фазового сдвига напряжений на 90 градусов на основе лабораторного или компьютерного практикума. Эксперимент показал большое расхождение экспериментального и контрольного классов в процентах выполнения этого задания: экспериментальный класс: 80,0 %, контрольный класс: 21 %.
4. Умение описывать результаты экспериментов.
Повышенный уровень.
Качественная задача с развёрнутым ответом.
На рисунке приведена электрическая цепь (рисунок 3), состоящая из гальванического элемента, реостата, трансформатора, амперметра и вольтметра. В начальный момент времени ползунок реостата установлен посередине и неподвижен. Опираясь на законы электродинамики, объясните, как будут изменяться показания приборов в процессе перемещения ползунка реостата влево. ЭДС самоиндукции пренебречь [27].
Рисунок 1 - График зависимости колебаний силы тока от времени
Ответ: 2мФ.
Комментарий. Обучающие экспериментального класса построили множество графических зависимотей для различных величин, поэтому легко читают графические и табличные данные.
3. Умение применять полученные знания при решении задач различного типа и уровня сложности.
Повышенный уровень.
Задача: К генератору переменного электрического тока, частоту которого можно изменять, подключены резистор сопративлением 10 Ом, конденсатор ёмкостью 284
Рисунок 3 - Электрическая цепь
Ответ: £/1=0В. /^сош! увеличится,
увеличится.
Комментарий. Данная качественная задача на анализ процессов в электрической цепи постоянного тока с трансформатором. В задаче необходимо перенести знания в непривычную ситуацию, т.к. обучающиеся привыкли видеть трансформатор в цепи переменного тока. Необходимо понимать и уметь применять закон электромагнитной индукции в определённые моменты работы цепи, закона Ома для полной цепи и участка цепи и постоянного тока. При выполнении
лабораторного и компьютерного практикумов обучающиеся проверили, что в цепи постоянного тока тпянсформятор не работает, поэтому получили ответ: ¿/ 1=0В. /^сош! Работая на лабораторном практикуме с реостатом, старшеклассники понимают, как меняется его сопротивление, а, значит, и сила тока в цепи, при этом не допустили ошибок в определении характера изменения сопротивления, дали верный ответ. Обучающиеся контрольного класса допустили много ошибок именно в описании результатов экспериментов, т.е. в определении изменения сопротивления, поэтому неверно ответили на вопрос задачи. Педагогический эксперимент показал, что большое расхождение в процентах выполнения задания на умение описывать результаты экспериментов (экспериментальный класс: выполнение 86,7 %, контрольный класс: выполнение 58,3 %).
Высокий уровень.
Расчётная задача с развёрнутым ответом представлена в таблице 2.
В колебательный контур, состоящий из катушки индуктивностью Ь и конденсатора ёмкостью С, включён источник с ЭДС Найдите максимальный заряд на кон-
денсаторе. В начальный момент конденсатор заряжен до напряжения £ . Активным сопротивлением катушки и 2
сопративлением источника пренебречь.
Таблица 2 - Сравнение аналитического и графического решений задачи.
Аналитическое решение Графическое решение
1. Изменение заряда коцденсатораДС? — Qmax ~ CU
2.Изменение энергии конденсатора.
2 С 2
3.Работа, совершена батареей, А= &Q- £=£■ СQmax ~ CU)
4.По закону сохранения энергии £ что и = - ■ Е, получим квадратно
Qmax ~ 2Св®тах + 4 С ^ = 0
5.Решаем квадратноеуравнение: D = 4СгЕ2 - ЪСгЕг = C2s2
2 Cs + VÖ 2CS+ CE
6. Для решения квадратного уравнения Qmar — Ci
=-а
Ътах 2
7. Второе решение соответствует начальному Поэтому решением задачи является первое
Qmnг = - СЕ
хтаж 2
Ответ: Qmax = - С s
13 данном контуре в состоянииравновесия напряжение на конденсатореравно ЭДС, не равно нулю, поэтому колебания напряжения происходят относительно £ с амплитудой0,5s. 2.Построим графикзг напряжения от Epes
M КОНТУЖ В СОСТОЯ КИИ 1>1ЪН ОвССМ* ЯЩАЖСЛи
« орамгхадя втимимльяй £ с штитузаЯ O.S Е
3. Гр а фик показыва ет следующее: ^тах ~ £+0,Ss - 1,5s
4. Максимально е значение заряда на конденсатор е
= сита,= 1.5 Се =| Се. Огъет: .11.,
Комментарии. Обучающиеся на основе экспериментального практикума осознали процессы, происходящие в последовательном колебательном контуре. Многие не стали решать задачу аналитическим путем применение громоздких формул. Было предложено оригинальное решение задачи графическим способом путём построения графика колебательного процесса со смещённой точкой равновесия. Такому решению способствовала учебно-исследовательская деятельность на экспериментальном практикуме.
Педагогический эксперимент показал большое расхождение в процентах выполнения этого задания: экспериментальный класс: 20,7 %, контрольный класс: 3,3 %
Выводы. Экспериментальный практикум пофизи-ке повышает качество решения теоретических задач, а именно:
1. Обучает старшеклассников постановке цели деятельности.
2. Тренирует школьников задавать себе большее количество вопросов и искать ответы на них.
3. Позволяет обучающимся самостоятельно «откры-
вать» физические явления и законы.
4. Учит создавать знаковые модели, понимать, что физические задачи - теоретические модели реальных явлений.
5. Помогает старшеклассникам учиться выделять существенные признаки физических явлений.
6. Приводит к уменьшениею ошибок в уравнениях и формулах, т. к. связь физических величин устанавлиа-ется школьниками экспериментально, благодаря чему обучающиеся понимают сущность физических величин.
7. Упражняет старшеклассников в работе с информацией, представленной в графическом и табличном видах.
Педагогический эксперимент показал повышение результатов экспериментальных классов в количестве и качестве выполнения задач в области повышенного и высокого уровня сложности. Экспериментальный практикум по физике (лабораторный практикум и исследование физических процессов при помощи компьютерного моделирования) способствует овладению обучающимся обобщенными знаниями, приводящими к пониманию сущности происходящих физических явление и законов, применению предметных знаний в нестандартных ситуациях, учит старшеклассников самостоятельно ставить цели деятельности. Всё это повышает предметные результаты старшеклассников при решении задач по физике разного уровня сложности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего общего образования (10-11 кл.) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: - 1№р://миноб-рнауки.рф/документы/2365
2. Каменецкий, С.Е. Методика решения задач по физике в средней школе / С.Е. Каменецкий, В.П. Орехов.
- М.: Просвещение, 1987. - 336с.
3. Ларченкова, Л.А. Образовательный потенциал учебных физических задач в современной школе / Дисс. докт. пед. наук. - СПб.: РГПУ им. А.И. Герцена, 2014.
- 387 с.
4. Генденштейн, Л.Э. Как научить решать задачи по физике (основная школа). Подготовка и ГИА / Л.Э. Генденштейн,В.А. Орлов, Г.Г.Никифоров // Первое сентября. - 2010. - №16, С. 28-32.
5. Гельфгат, И. М. Решения ключевых задач по физике для профильной школы. 10-11 классы / И.М. Гельфгат, Л.Э. Генденштейн, Л.А. Кирик. - М.: Илекса, 2016. - 288 с.
6. Тишкова, С.А. Применение метода построения физической модели ситуации задачи при подготовке школьников к ЕГЭ по физике / С.А. Тишкова, Г.П. Стефанова// Научное обозрение. Педагогические науки.
- 2015. - № 3. - С. 126. -[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://pedagogy.science-review.ru/ru/article/ view?id=1327 (дата обращения: 15.05.2017).
7. Петросян, В.Г. Решение физических задач с помощью компьютера как составляющая физического образования/ Автореф. дисс. докт. пед. наук. - М.: МГПУ, 2009. - 29 с.
8. Вишнякова, Е.А. Отличник ЕГЭ. Физика. Решение сложных задач / Е.А. Вишнякова, В.А. Макаров, М.В. Семенов [и др.]. - М.: Интеллект-Центр, 2015. -368 с.
9. Семёнов, М.В. Методические рекомендации по подготовке учащизхся к участию в олимпиадах высокого уровня по физике / М.В. Семёнов, Ю.В. Старокуров, А.А. Якута. - М.: МГУ, 2007. — 60 с.
10. Анциферов, Л.И. Практикум по физике в средней школе / Л.И. Анциферов, В.А. Буров, Ю.И. Дик [и др.].-М.: Просвещение, - 1987. - 159 с.
11. Деева, Е.П. Физический практикум в физико-математическом лицее в условиях введения ФГОС / Е.П. Деева, О.В. Лебедева // Вестник Нижегородского университета. - 2015. - №4, С. 175-181.
12. Первышина, Н.В. Методика проведения физи-
ческого практикума в классах с углублённым изуче- тельной среды». нием физики с учетом уровневой дифференциации /
Дисс. канд. пед. наук. - Архангельск: ПГУ им. М.В. Статья поступила в редакцию 06.05.2018 Ломоносова, 2006. - 230 с. Статья принята к публикации 27.06.2018
13. Дмитриева О.А. Инновационный подход к решению задач и лабораторному практикуму в курсе физики средней школы / Автореф. дисс. канд. пед. наук. - СПб.: РИГУ им. А.И. Герцена, 2005. - 18 с.
14. Тарчевский, А.Е. Успешний практикум по физике / А.Е. Тарчевский // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы, современные решения: Программа и материалы 19-й Вссероссийской научно-практ. конференции. - Глазов: ГГПИ, 2014. . - С. 12-14.
15. Петрова, Е.Б. Роль учебного эксперимента при профильном обучении / Е.Б. Петрова // Физика в школе.
- 2009. - №6, С. 39-44.
16. Королева, Л.Б. ФГОС-лаборатория: физикак в самостоятельных исследованиях / Л.Б. Королева, Е.А. Нарыжная, Г.Г. Никифоров // Физика в школе. -
2016. - №1, С. 19-21.
17. Никифоров, Г.Г. Лабораторный физический практикум на базе ноутбука [Электронный ресурс] / Г.Г. Никифоров, И.С. Царьков, П.Н. Чеботарёв - Режим доступа: http://fiz.1september. ги>Журнал Физика>2009/16/05
18. Реестр примерных основных образовательных программ: Примерная основная образовательная программа среднего общего образования [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mosmetod.ru/files/ dokumenty/
19. Тищенко, Л.В. Уроки-практикумы по физике (углублённый уровень) как способ организации учебно-исследовательской деятельности обучающихся / Л.В. Тищенко // Азимут научных исследований. - 2016.
- №4. С. 266 - 271.
20. Тищенко Л.В. Экспериментальный практикум и практикум по решению задач по физике как средство развития позиции субъекта учения старшеклассника / Л. В. Тищенко // Балтийский гуманитарный журнал. -
2017. - Т.6. - №3 (20) - С. 290-296.
21. Эльконин, Д.Б. Избранные психологические труды / Д.Б. Эльконин. - М.: Педагогика, 1989. - 560 с.
22. Демидова, М.Ю. Методические рекомендации, подготовленные на основе анализа типичных ошибок участников ЕГЭ 2016 по физике / М.Ю. Демидова [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https:// multiurok.ru/files/mietodichieskiie-riekomiendatsii-dlia-uchitielie-2.html
23. Тищенко, Л.В. Уроки-практикумы по физике в профильной школе. Деятельностный подход / Л.В.Тищенко// Физика в школе. - №6. - 2011. - С. 54-62.
24. Тищенко, Л.В. Уроки-практикумы по физике в профильной школе // Учебный физический эксперимент. Современные технологии: 7 - 11 классы: методическое пособие / Под ред. Г.Г. Никифорова. - М.: ВЕНТАНА-ГРАФ, 2015. - С. 94-105.
25. Разумовский, В.Г. Научны метод познания и обучение / В.Г. Разумовский, В.В. Майер. -М.: Владос, 2004. - 464 с.
26. Тищенко, Л.В. Информационные технологии на уроках-практикумах по физике (углублённый уровень) / Л.В. Тищенко // Проблемы учебного физического эксперимента: Сборник научных трудов. Выпуск 27.-М.:ИСРО РАО, 2017. - 123 - 125.
27. ЕГЭ - 2017. Физика: типовые экзаменационные варианты: 30 вариантов / под ред. М.Ю. Демидовой. -М.: Национальное образование, 2017. - 352 с.
Работа выполена в ФГБНУ «Институт стратегии развития образования Российской академии образования» в рамках проекта №27.6122.2017/БЧ «Обновление содержания общего образования и методов обучения в условиях современной образова-_
