Проблемное преподавание колебательных процессов в школьном курсе физики

О едином подходе к изучению колебаний разной физической природы

Проблемный подход к изучению колебательных и волновых процессов в школьном курсе физики является важнейшим условием развития творческого мышления и повышения прочности знаний учащихся по теории колебаний и волн. Это достигается путем:

• • установления связей между признаками изучаемого понятия, между понятиями, темами и разделами курса, учебными предметами;
• • выявления связей и отличий мысленных моделей с реальными объектами и явлениями на основе разрешения объективно существующих или специально создаваемых противоречий между имеющимися и вновь приобретаемыми знаниями, между знаниями и методами получения этих знаний.

Положительное влияние на решение названных задач оказывает так называемый единый подход к изучению явлений различной физической природы. Принцип единого подхода к изучению колебаний и волн различной физической природы позволяет вести обучение на высоком уровне проблемности. Этому способствует и тот факт, что колебательные и волновые процессы изучаются после курсов механики и электродинамики, в которых имеются все необходимые сведения для успешного усвоения основных вопросов теории колебаний и волн.

Проведенные нами исследования по проблемному изучению колебательных и волновых явлений позволили выявить следующее: не каждый вопрос теории можно изучать проблемно. С одной стороны, проблемное изучение вопроса требует больших затрат времени (особенно, если учащиеся раньше не имели опыта проблемного усвоения знаний), а с другой стороны — некоторые вопросы при традиционном изложении усваиваются учащимися более глубоко, чем при проблемном.

В экспериментальном преподавании весь круг вопросов, касающихся механических и электромагнитных колебаний, был объединен вокруг трех основных тем:

• 1) свободные колебания:
  • • в идеальных механических системах,
  • • в реальных механических системах,
  • • в идеальных электрических системах,
  • • в реальных электрических системах;
• 2) вынужденные колебания:
  • • в механических системах,
  • • в электрических системах — переменный ток,
  • • резонанс;
• 3) автоколебания в механических и электрических колебательных системах.

Деление учебного материала по темам соответствует делению колебаний на типы: свободные, вынужденные, автоколебания и параметрические колебания, из которых в школе изучаются только три первых типа колебаний в различных колебательных системах с одной степенью свободы.

Такое относительно самостоятельное изучение вопросов позволяет выделить особенность каждого типа колебаний. Упомянутая специфика заключается в том, что свободные, вынужденные колебания и автоколебания выделяются по характеру поступления энергии в колебательную систему. Перед учителем стоит задача: показать, что закономерности колебательных процессов в любой колебательной системе (механической или электрической) зависят только от характера действующих на систему сил, но не от их физической природы.

В данном случае педагогически нецелесообразным является такой подход к изучению вопросов, при котором учащимся с самого начала говорится, что при определенных условиях колебания в разных динамических системах подчиняются одним и тем же закономерностям и задача учащихся при изучении темы состоит в выявлении существующих закономерностей. При этом подходе снижается интерес к изучаемому материалу, что, в свою очередь, ведет к получению учащимися поверхностных знаний.

Эффективность восприятия учебного материала повышается, когда на основе постепенного накопления фактов о закономерностях того или иного типа колебаний в различных колебательных системах переходят к теоретическим обобщениям. Однако в школьном преподавании брать любой тип колебаний для доказательства единства закономерностей протекания процессов в различных колебательных системах не представляется возможным. Связано это с тем, что наиболее убедительно единство закономерностей учащимся средней школы возможно показать на основе установления математических зависимостей между колеблющимися величинами. Поскольку в общем случае получение количественных закономерностей для каждого типа колебаний представляет для учащихся определенные трудности, вызванные уровнем их подготовленности как по физике, так и по математике, изучение количественной теории отнесено только к свободным колебаниям с малой амплитудой, происходящих в идеализированных системах в отсутствие трения.

Рассмотрение процессов в идеализированных колебательных системах в отсутствие трения важно не только с точки зрения теории колебаний, связанной с тем, что реальные процессы с небольшим затуханием близки к процессам в идеализированных системах и исследование их позволяет выяснить роль различных параметров реальных систем, но и с точки зрения методики обучения. Последнее заключается в том, что, изучая свободные колебания в различных колебательных системах и получая для каждого случая одинаковые количественные закономерности между колеблющимися величинами, делаем вывод: малые свободные колебания в различных колебательных системах в отсутствие трения подчиняются одним и тем же закономерностям. Следовательно, если колебательная система находится в аналогичных условиях по отношению к внешнему воздействию, то характер колебаний не будет зависеть от физической природы сил, под действием которых происходят колебания. Примером тому служат только что рассмотренные свободные гармонические колебания. Поэтому другие типы колебаний (вынужденные и автоколебания) можно изучать без разделения систем на механические и электрические.

При таком подходе к изучению свободных колебаний имеется возможность особо обратить внимание на выявление физической сущности процесса (выясняются природа сил, характер и результат действия силы в любой рассматриваемой колебательной системе и т. д.). В дальнейшем, при изучении вынужденных колебаний и автоколебаний не представляется необходимым специально останавливаться на этих вопросах, так как условия и особенности протекания этих процессов изучаются на качественном уровне.

В данной главе описывается один из возможных вариантов методики проблемного преподавания колебательных и волновых процессов в общеобразовательной школе.