Формирование понятия «сила» с использованием педагогических программных средств

Понятия являются важнейшими структурными элементами любой науки. В формировании понятий у человека можно выделить три этапа: стихийный — на основе повседневного жизненного опыта; попутный — при изучении смежных наук; целенаправленный — при изучении основ конкретной науки. Рассмотрим методику целенаправленного формирования понятия «сила» на основе обучающе-контролирующей программы, составленной на языке программирования «Паскаль» для персонального компьютера IBM. В основу предлагаемой методики положен имитационный эксперимент. Методика изложения темы опирается на принцип проблемности и позволяет организовать обучение на достаточном уровне активности учащихся.

В начале программы на экране дисплея появляется общее название темы «Взаимодействие», формулируются познавательные задачи урока и даются указания организационного порядка.

Изучение темы начинается с демонстрации опытов, после каждого из которых делается обобщение, выделяющее существенную сторону моделируемого физического явления. По итогам опытов делается вывод о том, что в окружающем нас мире имеет место воздействие одного тела на другое. Далее машина ставит вопрос: к чему это может привести? На основе опытов учащиеся выясняют, что воздействие одного тела на другое может привести к деформации тел или изменению их скоростей. Новые опыты позволяют обобщить эти частные случаи в одном общем выводе: результатом воздействия одного тела на другое является деформация и одновременно изменение скорости движения тел. Таким образом, по изменению этих параметров тела можно судить, действует ли на него в данный момент другое тело или нет.

Наблюдаемые на экране опыты и сопровождающие их частные обобщения позволяют подвести учащихся к обобщению более высокого порядка. Таковым является вновь вводимое физическое понятие «сила». Дальнейшее изложение позволяет доказать учащимся, что использование данного понятия дает возможность более кратко и четко выражать свои мысли при описании изучаемых физических явлений. Для подтверждения последнего тезиса на экране появляется один из ранее сформулированных выводов в двух вариантах: без использования (первоначальный вариант) и с использованием понятия «сила». Даем образец переформулировки выводов на разных уровнях обобщения. С целью закрепления учащимся предлагается два аналогичных задания для самостоятельного выполнения в своих тетрадях. Выполнение таких заданий позволяет вновь введенные понятия включать в новые связи с уже имеющимися у учащихся понятиями, что обеспечивает прочность приобретаемых знаний.

Наблюдая на экране уже знакомые по данной теме опыты, учащиеся узнают, что сила характеризуется числовым значением, направлением и точкой приложения. После этого дается символическое обозначение вектора силы. Для сравнения приводится пример известной векторной величины — скорости. Завершает обучающую программу формулировка определения понятия «сила».

Контролирующая программа содержит вопросы разной степени сложности. В основу составления этой программы положен принцип обучающего контроля. Суть его сводится к тому, что независимо от характера ответа ученика машина дает небольшие комментарии по рассматриваемому вопросу. При этом часть теоретического материала повышенной трудности также выносится в контролирующую программу. По итогам работы учащиеся получают отметку, выставляемую машиной.

Описанный подход к формированию понятия позволяет избежать формализма в получаемых учащимися знаниях.

Рассмотрим методику проблемного изучения темы «Взаимодействие».

На первом экране появляется нижеследующая формулировка познавательной задачи урока:

«В данной программе Вы:

• • познакомитесь с явлением «взаимодействие»;
• • получите ответы на вопросы: что такое сила и чем она характеризуется".

Рассмотрим несколько опытов, в которых одно тело воздействует на исследуемое тело. Попытаемся выяснить, к чему это может привести?

Опыт 1: движущийся брусок, сталкиваясь со стенкой, останавливается (его скорость уменьшается до нуля) (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Пояснительный рисунок к опыту 1.

Опыт 2: при приближении постоянного магнита к железному предмету, последний приходит в движение (скорость тела увеличивается) (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Пояснительный рисунок к опыту 2.

Опыт 3: при пережигании нити стальная линейка распрямляется, и тележка приходит в движение (скорость тележки увеличивается) (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Пояснительный рисунок к опыту 3.

Несколько видоизменим предыдущий опыт.

Опыт 4: возьмем две одинаковые тележки. При распрямлении линейки тележки отталкиваются в противоположные стороны (увеличивается скорость обеих тележек) (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Пояснительный рисунок к опыту 4.

Итак, к чему может привести воздействие одного тела на другое? На экран вызываются рисунки опытов 1—4.

Из этих опытов следует, что результатом воздействия одного тела на другое может быть изменение скорости движения тела. Рассматривается другая серия опытов.

Опыт 5: под действием груза пружина деформируется (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Пояснительный рисунок к опыту 5.

Опыт 6: под действием груза доска деформируется (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Пояснительный рисунок к опыту 6.

Вопрос: к чему еще может привести воздействие одного тела на другое? На экран вызываются рисунки опытов 5 и 6.

Из этих опытов следует, что результатом воздействия одного тела на другое может быть деформация тела.

Обратимся еще к двум опытам.

Опыт 7: движущийся автомобиль, столкнувшись с препятствием, деформируется и останавливается (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Пояснительный рисунок к опыту 7.

Опыт 8: движущаяся шайба, столкнувшись со стенкой, деформируется и останавливается. Затем происходит восстановление формы и размеров, и шайба отскакивает в обратном направлении (.рис. 4.12).

Рис. 4.12. Пояснительный рисунок к опыту 8.

На экран вызываются рисунки опытов 7 и 8.

Оказывается, результатом воздействия одного тела на другое может быть деформация тел и одновременно изменение их скорости.

После этого на отдельном экране появляется обобщающий вывод: результатом воздействия одного тела на другое может быть:

• • изменение скорости, или
• • деформация, или
• • деформация и одновременно изменение скорости тел.

Следует заметить, что в рассмотренных опытах мы не интересуемся тем, за счет воздействия какого другого тела происходят деформация и изменение скорости исследуемого нами тела. Поэтому для оценки воздействия одного тела на другое и результата этого воздействия вводится понятие «сила». Использование данного понятия во многом упрощает описание явлений. Учащимся дается задание по переформулировке сделанных выше выводов, используя введенное понятие. Задание выполняется в тетрадях.

Итак, новая физическая величина — сила. Чем же она характеризуется? Для ответа на поставленный вопрос вновь обратимся к опытам.

Опыт 9: под действием грузов разной массы одинаковые пружины деформируются по-разному. По результату (деформации) можно говорить о большей или меньшей силе, действующей на тело (пружину) (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Пояснительный рисунок к опыту 9.

Опыт 10: величина деформации линейки зависит от места нахождения на ней груза. Результат (деформация) зависит от точки приложения силы (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Пояснительный рисунок к опыту 10.

Опыт 11: подводя магнит к железному предмету с разных сторон, видим, что направление приобретаемой телом скорости будет разным. Результат (направление приобретаемой скорости) зависит от направления силы (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Пояснительный рисунок к опыту 11.

Результаты проведенных опытов обобщаются. Итак, сила характеризуется:

• • числовым значением;
• • точкой приложения;
• • направлением.

Величины, которые кроме числовых значений характеризуются еще направлением, в физике называются векторными. Схематически они изображаются с помощью прямых линий со стрелкой на конце. Длина линии в выбранном масштабе указывает числовое значение, направление стрелки — направление силы.

Сила — это векторная физическая величина, характеризующая в данный момент результат и направление воздействия одного тела на другое, вследствие чего тела деформируются и изменяется их скорость.

F — обозначение вектора силы.

Следующая часть программы посвящена контролю знаний по изученной теме. Учащимся предлагаются тестовые задания с возможными ответами — закрытая форма тестовых заданий.

Вопрос 1. Как Вы думаете, в каком случае легче плыть:

• 1) в стоячей воде;
• 2) против течения;
• 3) по течению?

Правильный ответ: № 3.

Вопрос 2. Какая характеристика силы, действующей на пловца со стороны воды, является определяющей в данном примере:

• 1) числовое значение;
• 2) направление;
• 3) точка приложения?

Правильный ответ: № 2.

Вопрос 3. Требуется открыть дверь под действием некоторой силы, прикладывая ее:

• 1) в середине двери;
• 2) у ручки двери;
• 3) у петель.

В каком случае легче добиться успеха?

Правильный ответ: № 2.

Вопрос 4. Какая характеристика силы является в этом случае определяющей:

• 1) числовое значение;
• 2) направление;
• 3) точка приложения.

Правильный ответ: № 3.

Вопрос 5. Известно, что человек не может привести в движение покоящийся железнодорожный вагон, хотя электровоз делает это легко. Так происходит, потому что:

• 1) человек действует на вагон с меньшей силой, чем вагон на человека;
• 2) электровоз действует на вагон с большей силой, чем человек;
• 3) правильного ответа среди приведенных нет.

Правильный ответ: № 2.

Поясняем сущность вопроса. Дяя этого обратимся к результату опыта 4.

В этом опыте использовались одинаковые тележки. При взаимодействии скорости тележек меняются на одну и ту же величину. Это означает, что левая тележка, действуя на правую с некоторой силой, сама испытывает действие такой же силы со стороны правой: тела взаимодействуют. Причем сила действия численно равна силе противодействия. Поэтому утверждение: человек действует на вагон с меньшей силой, чем вагон на человека, следует считать ошибочным. Человек не может привести в движение вагон потому, что действует на него с меньшей, чем электровоз, силой.

Вопрос 6. Теперь мы точно знаем, что сила:

• 1) физическая величина;
• 2) физическое явление;
• 3) физическое тело.

Правильный ответ: № 1.

Вопрос 7. Сила является причиной:

• 1) движения тела;
• 2) скорости тела;
• 3) изменения скорости тела;
• 4) деформации тела;
• 5) деформации и изменения скорости тела.

Правильный ответ: № 5.

Программа подводит итоги, и на экране появляется отметка. В зависимости от желания ученика можно вернуться на начало программы и пройти обучение и контроль повторно.