CC BY
132
УДК 75.093
ББК 56.1
Дубенский Юрий Петрович
доктор педагогических наук, профессор
Омский государственный университет им. Ф.М.Достоевского
г. Омск
Dubensky Yuri Petrovich
Doctor of Pedagogy,
Professor
Omsk State University Fyodor Dostoevsky Omsk
Методический конструктор ситуаций обучения решению задач по физике Methodical constructor of learning situations for solving of the problems in
physics
В статье описывается методика конструирования ситуаций обучения учащихся решению задач. В данных учебных ситуациях ученики могут осваивать исследовательскую активность. Решение задачи представлено как объект исследования. Из данного объекта выделяются действия, которые осваивает ученик. Эти действия являются основой системы упражнений. Система упражнений и есть схема обучения решению задач.
This paper describes the method of constructing situations to teach students to solve problems. In these learning situations, students can master the research activity. Solving problems is presented as an object of study. From the object of the study singled out the actions that the student masters. These actions are the foundation of the system of exercises. This system of exercises is a scheme of training solving problems.
Ключевые слова: задача, исследование, конструирование, ситуация, схема, действие, методика.
Key words: The problem study construction, a situation scheme action method.
Самые большие трудности в обучении учащиеся встречают при решении задач по физике.
Подойти к вариантам конструирования методик обучения решению задач можно через исследование генезиса задачи, задачи как объекта и решения задачи как объекта.
Задача, это вопрос, который содержит в себе ответ. Задача, это искусственный полигон для освоения методов исследования. Это своеобразный тренировочный зал, в котором можно учиться исследованию и конструированию.
Первая задача учителя - научиться конструировать учебные ситуации, в которых ученики освоили исследовательское движение от мира к проблеме, к задаче и к ее решению.
Что представляет собой задача как объект? Нужно рассмотреть формальную и содержательную стороны. Формальная сторона относится к языку описания задачи. Это может быть язык русского текста, язык формул, язык графики, язык рисунка, язык предметов. Для ученика создаются условия понимания языка, не как отпечатков чего-то, а как возможности, которую можно превратить в действие.
Работа с задачей, как с объектом, предполагает действия в предметном мире, перевод их в текст определенным языком, действия с языком и переход к действиям в предметном мире.
Основные языки, с которыми работает физика: русский, графический,
рисунки, формулы, жаргон.
Решение задачи представляется как объект исследования для выделения из него действий, которые подлежат усвоению. По выделенным действиям составляется система упражнений, которая фактически и является своеобразной схемой обучения решению данного круга задач.
Исследование решения задач и конструирование на этой основе обучения, это частный случай обучения решению задач, т.к. нет возможности перебрать все существующие решения задач.
Самостоятельной стороной в обучении решению задач является овладение действиями в области логики. Для этого необходимо владеть законами логики и соотнесение результатов логических операций с реальным физическим миром.
Рассмотрим конструирование обучения решению задач, опирающееся на генезис задачи.
Генезис задач в конкретных ситуациях. Задача появляется при расчленении конкретной ситуации на составные части. Проделаем процедуру расчленения на части ситуацией: «Составьте все возможные задачи по описанной ситуации: «Быстро движущийся легковой автомобиль отечественного производства останавливает работник государственной автоинспекции. Автомобиль останавливается за превышение скорости движения по дорогам города. Водитель оправдывает свои действия срочной необходимостью прибытия на работу, а работник ГАИ пытается убедить водителя, что к факту нарушения скоростного режима это не имеет отношения - нарушение есть нарушение независимо от причины, породившей его»».
Для составления задач нужно выделить из ситуации: предметы; процессы; связи между предметами; связи между процессами.
Предметы: легковой автомобиль; дорога; работника ГАИ; водитель; скорость; норма; речь; движение. Выделены разные предметы: материальные и идеальные.
Процессы: движение; разговор (коммуникация); сравнение;
взаимодействия; распространение световых волн; восприятие; анализ; суждений; умозаключений.
Связи между предметами: легковой автомобиль-дорога (трение);
работник ГАИ-автомобиль (восприятие); работника ГАИ-водитель (коммуникация); водитель-скорость (трение); норма-речь (умозаключение). Связи между процессами: движение-разговор (норма); сравнение-
взаимодействие (восприятие).
Теперь можно составлять задачи на: движение автомобиля в разных дорожных условиях и при разных ограничениях скорости; зрительное восприятие работника ГАИ в разное время суток; на использование различных приборов по обнаружению скорости движения; по действиям водителя на
систему питания двигателя в момент разгона и торможения автомобиля; на особенности нормы движения (правила дорожного движения); на распространение звуковых волн; на отличие движения от покоя.
Для конструирования задач можно использовать не только конкретные ситуации, но и рафинированные «чисто физические» ситуации, очищенные от бытовой случайности. Это круг основных знаний по определенному разделу физики. Его можно получить с помощью самостоятельного анализа материала по физике, можно взять как готовый из различной справочной литературы по физике.
Например, в разделе «Кинематика» выделяются основные величины и понятия: механическое движение; система отсчета; механическая система; материальная точка; протяженное тело; абсолютно твердое тело; поступательное движение; вращательное движение твердого тела; траектория движения; равномерное движение тела по окружности; периодическое движение; свободное падение тел; вектор; векторная величина; колленниарные вектора; проекция вектора на ось; проекция суммы векторов на ось; проекция вектора перемещения на ось; колебательное движение; криволинейное движение; неравномерное движение; прямолинейное движение; равномерное прямолинейное движение; равноускоренное прямолинейное движение; реактивное движение; инерция; инертность; координаты; радиус-вектор; перемещение; путь; средняя скорость; мгновенная скорость; ускорение; период обращения; частота обращения; ускорение свободного падения. Для всех выделенных понятий полезно дать определения и формы фиксации: графической, аналитической, в виде рисунка.
Выделены кубики, из которых можно складывать задачи. Но прежде необходимо выделить все возможные варианты данных кубиков. Система отсчета для: прямой, плоскости, пространства. Для координаты точки существуют варианты только в способе их фиксации (язык). То же самое для векторов и их проекций. Возможно также построение прямых и обратных задач. Схема обобщенной задачи с элементами: движение тела (вектор,
проекция, координата, точка); система координат. Из перечисленных элементов один неизвестен и его нужно найти. Основные действия в решении такой задачи: определение координаты тела по данным о движении или по известной системе отсчета; реставрация движения по известным координатам. Умение работать с векторами.
Создаем ситуации, в которых можно приобрести опыт названных действий, используем выделенные "кубики" и их вариации.
1. Определите координату книги, лежащей на вашем столе.
2. Фактически задача без решения, т.к. использован один из выделенных физических элементов - координата. Это задача с недостающими данными. Координату тела определить невозможно, можно определить координату точек тела.
3. Определить координаты точек изображенных на графике.
Это освоение действий по нахождению проекций точек и фиксации их расположения на числовой оси.
Материальная точка переместилась из точки А в точку В. Координаты точки А (2;5), координаты точки В (-2;3). Определить перемещение точки и проекции перемещений на ось X и Y.
Для решения задачи нужно использовать действие - по точкам строить вектор перемещения, находить проекции вектора перемещения.
4. Тело переместилось из точки А с координатами (-3;4) в точку с координатами (3;6). Определить проекции вектора перемещения на оси X и Y, модуль и направление вектора перемещения. Задачу решить графически и аналитически.
В задаче добавляется поиск направления вектора перемещения.
5. Движение тела заданы графически. Определить координаты тел через 10 с. от начала движения. Где находилось тело за 30 с до начала отсчета времени. Записать уравнение зависимости Х от ^ Каков характер движения тела? (Масштаб задается произвольно).
6. Уравнение движения задано формулой x=x 40 0+s, x=x 40 0+vt. Используя данную зависимость можно определить x,s,t. Подчиняется ли данной зависимости движение тел, траектории движения которого изображены на рис. 43. Каков характер движения тел?
7. Автомобиль прошел 200 км за 4 ч. Определить координату автомобиля через 2 ч.
Данная задача с неполными данными и не имеет в таком виде решения.
8. Начальная координата тела -3 м, конечная 2. Тело двигалось равномерно со скоростью 2 м/с. Определить время движения тела.
9. Уравнение движения грузового автомобиля: x=400+10t, а легкового: x=150+20t. Догонит ли легковой автомобиль грузовой? Если да, то через какой промежуток времени?
Можно решить обратную методическую задачу: по описаниям задач выделите обобщенные схемы и их компоненты, как это было сделано выше.
Рассмотрим конструирование обучения решению задач при исследовании задачи как объекта.
Задача, как объект представляет собой текст по поводу физических ситуаций или опредмеченную последовательность действий, т.е.
демонстрируемая физическая ситуация. Это рафинированный объект. Задача может быть подана как описание (или действие) жизненной ситуации. В этом случае на данном объекте можно учить переходить к рафинированной (очищенной) задаче. Задачи и жизненные ситуации имеют разное функциональное назначение в учебном процессе.
Нужно так же помнить, что задача, это объект идеального содержания, который может выступать в разных формах: идеальной или материальной. Рассмотрим содержание физической ситуации предъявляемой в задачах. Во всех задачах фиксируется первоначальное состояние физической системы, переход ее в другое состояние и фиксация конечного состояния. Вопрос задачи может быть обращен к любой части выделенной цепочки, к недостающему
элементу (недописанному) цепочки: «Из чего получилось? Как получилось? Что получилось?»
Физическая ситуация - нагревания воды в закрытом сосуде. Начальное и конечное состояния описываются одними по физическому значению параметрами, но различными по величине. Процесс перехода из одного состояния в другое - различными способами теплопередачи. Процессов в ситуации много, выбираем один - изменение температуры тела.
«Вода в сосуде имеет температуру 10 50 0С. Воду нагрели на пламени газовой горелки. Найти конечную температуру».
Задача не решается, т.к. нет данных по процессу нагревания и нет данных по конечной ситуации. Такие задачи полезно использовать в учебном процессе для проявления учащимися собственной ответственности. Традиционное обучение не позволяет ошибаться учителю и учебным текстам. Ученик не имеет права критически подходить к собственному движению. Задачи с неполными данными (не решаемые) позволяют проявляться ученикам как личностям.
Элементы обобщенной физической ситуации (нагревание воды в закрытом сосуде), выглядят следующим образом:
- Начальное состояние: ^ ; ml; c (название вещества);
- Процесс нагревания: q (название вещества); m;
- Конечное состояние: T2; m1;
- Границы: нет фазовых переходов; m1 =ш2.
Можно составлять задачи, конкретизируя общую схему, ставя вопрос о недостающей величине, которую не указывают в задаче.
Исследуя задачи как объекты можно научиться конструировать задачи-аналоги по физическому содержанию. Рассмотрим данное методическое движение на примере анализа содержания задачи: "Почему звук в комнате становится менее слышым при закрытых окнах, чем при открытых, хотя
стекло проводит звуковые волны с большей скоростью, чем воздух? Источник звука находится вне комнаты".
Цель исследования: научить учителей составлять задачи-аналоги.
Последовательность исследования:
- на какую физическую закономерность опирается описанная в задаче ситуация? (в твердых телах скорость распространения звуковой волны больше, чем в газе);
- на сколько однородных ситуаций можно разбить описанную? (ситуация 1: источник звука и приемник в однородной среде - газе; ситуация 2: источник звука и приемник в другой однородной среде - стекле).
- чем отличается ситуация первая от второй? (во второй ситуации звук будет слышен громче).
Элементы описанной в задаче ситуации: источник звука; приемник; среда 1; среда 2. Обобщенная схема задачи: возмутитель среды; движение возмутителя (в среде 1, в среде 2); приемник возмущения.
Возмутителем среды может быть нагреватель, средой, передающей возмущение - воздух, твердые тела, аморфные тела, приемником -жидкостный манометр.
Подставляем данные элементы в обобщенную схему и получаем различные варианты аналогичных по существу исследованной задачи.
Можно начать конструирование задач с создания обобщенных схем физических явлений, например, явление теплообмена.
Фиксируем начальное состояние выделенной системы - вода в сосуде.
Описываем элементы выделенной системы.
Масса воды - т1 Масса сосуда - т2 Температура воды - Т1 Температура сосуда - Т2 Теплоемкость воды - с1 Теплоемкость сосуда (вещество) - С
Отдельно вода и сосуд Т1=\=Т2. Температура воды не равна температуре сосуда.
Элементы связаны в систему за счет процесса теплообмена, который описывается на физическом языке: Q = ст (^ -^).
Конструируем варианты возможных ситуаций, описание которых и будет составлять условие задачи, способом перебора объектов, как неизвестных или связей между ними.
Ситуация 1. Сосуд получил от воды определенное количество теплоты. Известна масса сосуда, разность температур. Из какого материала он сделан?
Ситуация 2. Известен материал, разность температур. Определить массу сосуда.
Ситуация 3. Известен материал, масса сосуда. Определить конечную температуру.
Выделим действия, необходимые для расчетов описанной ситуации:
- измерение начальной температуры системы;
- измерение конечной температуры системы;
- измерение массы системы;
- измерение удельной теплоемкости.
Исследуем правила выполнения первого действия - измерение начальной температуры системы. Выделяем обобщенные правила этого действия:
1. Теплоизоляция нагретого тела и термометра.
2. Установление термодинамического равновесия между нагретым телом и термометром.
Варианты теплоизоляции:
- поместить в теплоизолирующий материал;
- сделать площадь контакта нагретого тела и термометра максимально большой (этим уменьшаем время для установления равновесия).
Конструируем задания для освоения учащимися обобщенного правила действия по измерению начальной температуры системы:
- В комнату внесли нагретую на газе гирю. Как измерить ее температуру? Продемонстрируйте. (Нужна теплоизоляция и продолжительный контакт с термометром. Площадь контакта только с гирей у термометра).
- В кастрюле нужно получить воду в 600 С. Как это сделать практически? Покажите. (Помешивать воду и нагревать равномерно, измерять температуру в процессе нагревания).
- Почему вода, нагретая до 370 С градусов при комнатной температуре остывает, а человеческое тело нет?
- Как измерить температуру нагревающейся воды? (Нужно прекратить нагрев!).
- Оцените температуру раскаленной гири. (Посредством контакта, например с водой).
Методический конструктор ситуаций обучения решению задач по физике, направленный на приобретение учащимися собственного опыта деятельности по решению задач, состоит из следующих элементов:
1. Освоение учителем и обучение учащихся движению от проблемы к ситуации и к задаче. Умение выделять из ситуаций задачи и умение менять свою позицию и фиксировать её.
2. Освоение учителем и учениками метода конкретных ситуаций, когда из жизненной ситуации "вынимается" физическая задача.
3. Конструирование задач на основе обобщенных физических ситуаций и языков из описывающих, которые оформляются в виде диктантов.
4. Конструирование обучения решению задач может проходить на основе анализа операций, из которых состоит решение задачи и, создание системы упражнений, для освоение этих операций. В данном случае возможно обучение решению задач без непосредственного решения самих задач.
5. При решении задач используются законы логики. Конструирование системы упражнений по освоению законов логики один из путей создания методики обучения учащихся решению задач.
В целом обучение решению задач можно сравнить с обучением исследовательской деятельности.
Библиографический список
1. Дубенский Ю.П., Дубенская Н.И. Методика конструирования упражнений для обучения учащихся решению задач по физике: Методические указания для студентов физфака/Под ред. М.П. Ланкиной. Омск: Омск. гос. унт, 1995.
2. Дубенский Ю.П. Дидактика физики: исследовательско-конструкторский подход: Учебное пособие. Омск: Омск. гос. ун-т, 1995.
3. Ковалевский С. Сборник физических задач для средних учебных заведений.- С-Петербург, типография А.С.Суворина, 1910.
4. Усова А.В., Бобров А.А. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики.- М.:Просвещение, 1988.
Bibliography
1. Dubensky Y.P. Dubenskaya N.I. Methods of designing exercises to teach students solving problems on physics: Textbook for students of the Physics Department / Ed. Lankina M.P. Omsk: Omsk. State. University Press, 1995.
2. Dubensky Y.P. Didactics of physics research and design approach. Textbook. Omsk Omsk. State. University Press, 1995.
3. Kovalevsky S. Collection of physical problems for secondary schools. - St. Petersburg, typography A.S.Suvorina, 1910.
4. Usova A.V., Bobrov A.A. Formation of the educational skills of students in physics lessons. - M.: Education, 1988.
