Система демонстрационного эксперимента как основа активизации практической деятельности

Методика проведения физического эксперимента

Школьный физический эксперимент позволяет опытным путем раскрывать сущность изучаемых явлений и процессов. Выделяют следующие виды учебного физического эксперимента: демонстрационные опыты, фронтальные лабораторные работы, работы физического практикума, экспериментальные задачи, домашние опыты и наблюдения. Материальным обеспечением физического эксперимента является оборудование (приборы, принадлежности, приспособления, материалы), выпускающееся промышленностью и частично изготовленное самодельно в условиях школы. 4].

Демонстрационный эксперимент, выполняемый преимущественно учителем перед учащимися, направлен на формирование у школьников представлений о явлениях, процессах, законах, понятиях, устройстве и действии приборов и установок.

Методика демонстрационного эксперимента решает вопрос оптимального выполнения опыта, подготовленного и отработанного в техническом отношении, т. е. выясняет, как с минимальной затратой времени на демонстрацию опыта и опорой на дидактические принципы добиться его максимального воздействия на учащихся. В частности, решаются такие вопросы: в какой последовательности выполнять данный опыт (или серию опытов)? Как выделить существенное в опыте? На что обратить внимание учеников, подвести их к предполагаемому выводу, организовать сравнение признаков, варьировать несущественные признаки? В каком темпе проводить каждую часть опыта? Сколько раз воспроизвести опыт? Какой сделать паузу или как ее заполнить? И т. д.

Под техникой проведения демонстрационного эксперимента понимают средства и приемы, обеспечивающие эффективную постановку опыта, т. е. создание таких условий, при которых опыт хорошо виден со всех мест класса, когда в установке умело выделено главное. Эффективность опыта достигается при соблюдении определенных требований. К ним относятся содержательность, достоверность, видимость, наглядность, убедительность, кратковременность, воспроизводимость, надежность, эстетичность, эмоциональность, соблюдение техники безопасности.

Содержательность предполагает подбор приборов и создание таких условий, которые позволяют в полной мере раскрыть сущность явления. Например, при изучении равноускоренного движения можно продемонстрировать опыт по скатыванию тележки вдоль наклонной плоскости. Однако без изменения скорости через равные промежутки времени такой опыт не раскрывает главного признака равноускоренного движения. Следовательно, в данном опыте не выполняется требование содержательности. Если же в основу определения равноускоренного движения положить соотношение путей, пройденных телом за разные промежутки времени от начала движения, то рассматриваемый опыт легко сделать содержательным, применив, например, капельницу или приборы и приспособления, позволяющие отсчитывать время на участках пути с соотношением 1:3:5 … .

Достоверность определяет однозначность, определенность, истинность результатов постановки опыта, отражающих в наблюдениях именно то, что изучается, т. е. достоверность означает постановку такого варианта опыта, результат которого не вызывает сомнений. Нарушение требования достоверности может быть вызвано как объективными свойствами демонстрационной установки (неверный подбор приборов, неисправность приборов и пр.), так и некомпетентностью демонстратора. Приведем примеры нарушения требования достоверности.

При демонстрации опыта по закону Ома для участка цепи (рис. 1) часто наблюдается большое расхождение между теоретическими данными закона I = U/R — и практическими показаниями приборов. Это обусловлено, как правило, плохим подбором шунтов, дополнительных сопротивлений и плохими контактами в зажимах магазина сопротивлений. Другой пример неверной демонстрации — передача теплоты путем излучения, когда теплоприемник помещают не сбоку, а над излучающим телом.

Видимость предполагает создание таких условий, которые позволяют каждому ученику класса видеть не только установку, но и ее существенные детали. Здесь следует рассмотреть два аспекта.

Во-первых, обеспечение видимости установки с задних столов. Будем исходить из предположения, что крышка демонстрационного стола находится на уровне глаз учащихся (рис. 2). Учащийся, сидящий за последним столом, может сместить голову и смотреть над головой «второго», впереди сидящего на расстоянии примерно 2 м. Если расстояние от ученика, сидящего за последним столом, до демонстрационной установки принять равным 8 м, а высоту верхнего уровня головы ученика над уровнем глаз приблизительно равной 0,1 м, то нижние детали демонстрационной установки должны находиться над демонстрационным столом на высоте 0,3−0,4 м.

Во-вторых, существенные детали установки (деления и оцифровка шкалы, указатели, элементы приборов и т. д.) должны быть хорошо различимы с любого места класса. Нарушение видимости может быть обусловлено разными причинами. Одной из них является конструктивная неполноценность демонстрационных приборов. Например, по шкале демонстрационного секундомера ССЭШ-63 невозможно с последних столов класса отсчитать показания прибора. Другая причина — неумение экспериментатора подобрать средства и создать условия, обеспечивающие хорошую видимость. Так, отклонение стрелки электрометра трудно наблюдать, если за электрометром нет светящегося матового экрана; не всем учащимся хорошо видны детали универсального трансформатора, если он не установлен на подставке.

Наглядность — это требование, при котором сущность наблюдаемого явления раскрывается в наиболее яркой, совершенной и очевидной форме. Основное содержание опыта должно быть выражено возможно более простыми средствами и приемами, а изменения, характеризующие состояние изучаемого объекта, достаточно хорошо наблюдаемы.

Усилить наглядность можно применением цветных проводов, указателей полюсов и направлений тока. С требованием наглядности связана, например, такая постановка опыта, когда подбором приборов и режимов их работы можно изменить показания измерительных приборов так, чтобы они оказались преимущественно во второй половине шкалы.

Убедительность — это требование к демонстрации опыта, который не может привести к неверному толкованию. Опыт должен выполняться настолько «чисто», чтобы не было сомнений ни по его фрагментам, ни по выводам. Рассмотрим, например, два варианта демонстрации архимедовой силы. В первом случае рассматривается сила, которая действует на подвешенное к динамометру тело, опущенное в металлический отливной стакан (рис. 3).

В этом случае трудно убедить учащихся, что тело полностью опущено в воду и не касается дна. Замена металлического отливного стакана стеклянным (рис. 4) снимает это затруднение: опыт становится убедительным. Во втором примере рассмотрим демонстрацию архимедовой силы в газе, применив пары эфира. Опыт будет недостаточно убедительным, если не показать, что пары эфира тяжелее воздуха. Последнее легко продемонстрировать в теневой проекции (выливание эфира из стакана напоминает выливание воды).

Кратковременность предполагает определение оптимального времени демонстрации опыта, а также сведения до минимума времени выполнения опыта. Кратко-временность достигается тщательной предварительной подготовкой и многократной отработкой последовательности движений учителя. Большинство школьных опытов занимает мало времени, но есть и долговременные. Например, демонстрация критического состояния эфира занимает несколько минут. Удовлетворить требованию кратковременности можно только в том случае, если с точностью до нескольких секунд согласовать объяснение нового материала с процессом, наблюдаемым при повышении и понижении температуры в ампуле.

Воспроизводимость означает непременное неоднократное повторение опыта. Здесь следует различать два аспекта. Первый — воспроизведение опыта в том же варианте, в каком он был продемонстрирован первоначально; второй — это повторение опыта в несколько измененном варианте. Вариантивность опыта способствует более глубокому раскрытию сущности изучаемого явления или процесса, помогает создать условия для сравнений и сопоставлений.

Надежность эксперимента предполагает его успех во время демонстрации. Надежность обеспечивается тщательной предварительной подготовкой. Нарушение требования надежности чаще всего связано с неисправностью приборов или принадлежностей, плохой подготовкой элементов установки, нарушением эксплуатационных режимов приборов. Например, в электрических цепях может произойти разрыв провода под изоляцией, может оказаться плохим контакт между вилкой и гнездом; неустойчивое положение тел на подставках может привести к их падению и т. д.

Эстетичность предусматривает изящное, красивое оформление установки и рациональное (в определенном смысле артистичное) выполнение опыта. Изящность оформления достигается путем умелого подбора и расположения приборов, подчиняющихся определенной логике, путем применения разных средств (подкрашивание, подсвечивание и пр.). Требование эстетичности будет нарушено, если, например, в установке применены провода без наконечников, одни приборы поставлены на другие, выставлены плохо окрашенные приборы или они расставлены в беспорядке и т. д. При рациональной постановке опыта демонстратор умело руководит вниманием учащихся, привлекая его к той или иной детали установки или процесса, без навязчивости и без лишних движений. Вообще говоря, в каждом конкретном случае движения нужно предварительно отрабатывать.

Эмоциональность отражает результат воздействия демонстрируемого опыта на психику учащихся, она выражается в том впечатлении, которое оказывает демонстрация. Опыт призван вызвать интерес учащихся. Не следует ставить опыты, которые оказывают на них отрицательное эмоциональное воздействие.

Соблюдение техники безопасности является обязательным условием при любых демонстрациях. При работе с электрическими установками, источниками тепла и излучения, с реактивами необходимо соблюдать меры, обеспечивающие безопасность выполнения опытов, исключающие механические повреждения, ожоги, поражения током и прочие травмы человека.

Наблюдение. Одним из важнейших познавательных умений является умение наблюдать. На основе результатов наблюдений осуществляется сравнение и сопоставление изучаемых объектов, выявление в них главного, существенного. В сознании образуются представления, которые в последующем развитии трансформируются в понятия. Наблюдательный человек познает значительно больше ненаблюдательного человека.

В соответствии с учебными программами школьники должны выполнять большое количество наблюдений и опытов в процессе изучения курса физики (да и других предметов). Однако, как показали исследования А. В. Усовой и Н. М. Беляковой, к моменту окончания средней школы многие из них не в состоянии выполнить наблюдения и опыты самостоятельно, без инструкций, в которых подробно расписано, что и как нужно делать. Выяснилось, что они приучены только к воспроизводящей (репродуктивной) деятельности. В связи с этим проведена целая серия исследований, направленных на разработку методики, реализация которой обеспечивала бы достижение более высокого уровня сформированности у учащихся указанных умений. Эффективность ее применения поэтапно проверялась М. Н. Беляковой в 4−5 классах, затем А. А. Зиновьевым в 6−7 классах и А. А. Бобровым в 8−10 классах (по новой нумерации в 9−11 классах).

Суть этой методики заключается в следующем. В деятельности по наблюдению и выполнению опытов выделяются основные операции и действия, не зависящие от частных особенностей материала, определяется логическая последовательность их выполнения. На этой основе вырабатывается (совместно с учащимися) алгоритмическое предписание (или, по терминологии Усовой, обобщенный план деятельности), обосновывается необходимость умения выполнять четко, осознанно каждую операцию.

На начальном этапе у учеников вырабатывается умение уверенно и грамотно выполнять отдельные операции, а затем рассматривается наиболее рациональная последовательность выполнения операций в процессе наблюдений и опытов.

Структура деятельности при выполнении наблюдений.

• 1. Уяснение цели наблюдения.
• 2. Определение объекта наблюдения.
• 3. Создание необходимых условий для наблюдения, обеспечения хорошей видимости наблюдаемого явления.
• 4. Выбор наиболее пригодного для данного случая способа кодирования (фиксирования) получаемой в процессе наблюдения информации.
• 5. Проведение наблюдения с одновременным фиксированием (кодированием) получаемой в процессе наблюдения информации.
• 6. Анализ результатов наблюдений, формулировка выводов.

Структура деятельности по выполнению опытов.

• 1. Формулировка цели опыта.
• 2. Построение гипотезы, которую можно было бы положить в основу выполнения опыта.
• 3. Определение условий, которые необходимо создать для того, чтобы проверить правильность гипотезы.
• 4. Определение необходимых для проведения опыта приборов и материалов.
• 5. Моделирование хода данного конкретного опыта (определение последовательности операций, из которых слагается деятельность по выполнению опыта).
• 6. Выбор рациональных способов фиксирования информации, которую предполагается получить в ходе эксперимента.
• 7. Непосредственное выполнение эксперимента, включающего наблюдения, измерения и фиксирование получаемой при этом информации (зарисовка, запись результатов измерений и т. д.)
• 8. Математическая обработка результатов измерений.
• 9. Анализ полученных данных.
• 10. Формулировка выводов из опыта.

Разумеется, что процесс формирования у учащихся умения самостоятельно выполнять опыты начинается с выработки у них умения выполнять простейшие операции, без которых невозможен эксперимент.

В первую очередь учащихся следует научить пользоваться лабораторным оборудованием (приборами и материалами, штативами и принадлежностями к ним, источниками энергии, подставками, подъемными столиками, пробирками, химическими реактивами и т. д.), соблюдать правила техники безопасности.

Далее идет выполнение измерений, включающее чтение шкал приборов, определение цены деления шкалы прибора, его нижнего и верхнего пределов измерения, отсчет и правильная запись показаний прибора, определение погрешности измерения.

У учащихся необходимо также выработать умения правильно фиксировать результаты наблюдений и измерений различными способами (рисунки, таблицы, графики, фотографии, видеозапись).

Приведенный план деятельности по выполнению опытов, как видно из его содержания, не зависит от частных особенностей материала. Он является общим для всех опытов. До 8 класса осуществляется отработка у школьников умения выполнять отдельные операции. В 8 классе план деятельности по выполнению опытов дается в сокращенном виде, а затем расширяется по мере овладения умением выполнять все более сложные операции, в него включаются такие пункты, как построение гипотезы, моделирование хода выполнения опыта, определение необходимых для этого приборов и материалов и т. д.

Исследования, выполненные А. А. Бобровым, показали, что к моменту окончания обучения в средней школе коэффициент полноты выполнения операций при традиционной методике обучения составлял 0,36. В экспериментальных же классах, где в процессе обучения физике формирование экспериментальных умений осуществлялось по разработанной Усовой методике, значение этого коэффициента достигло 0,56.

В двух школах г. Челябинска (№ 31, № 147) эта методика использовалась при изучении физики и химии. Здесь значение коэффициента возросло до 0,72, то есть в 2 раза по сравнению с контрольными классами. Результаты этого предварительного эксперимента привели к предположению о целесообразности реализации разработанного Усовой и Беляковой подхода к формированию у учащихся экспериментальных и других учебно-познавательных умений, общих для цикла учебных дисциплин, в преподавании всех предметов естественного цикла.

Пример эксперимента. В VII классе перед изучением понятия скорости учащимся предлагают пронаблюдать за движением стеаринового, пластилинового и свинцового шариков в стеклянных трубках с водой (внутренний диаметр 7−8 мм, длина свыше 200 мм). При выполнении задания учащиеся руководствуются указаниями, которые им даются либо в письменном виде, либо устно (в этом случае каждое следующее задание учитель предлагает после выполнения предыдущего).

План проведения эксперимента:

• 1. Одновременно расположите трубки с пластилиновым и свинцовым шариками вертикально так, чтобы в начальный момент времени шарики оказались вверху. Наблюдайте за движением шариков. Опыт проделайте несколько раз.
• 2. Ответьте на вопросы:
• 1) Чем отличаются движения шариков?
• 2) Какой из шариков движется быстрее? Какой медленнее?
• 3. Одновременно расположите трубки с пластилиновым и стеариновым шариками вертикально так, чтобы пластилиновый шарик оказался вверху, а стеариновый внизу. Сравните движения шариков.
• 4. Ответьте на вопросы:
• 1) Чем отличаются движения шариков?
• 2) Какой из шариков движется быстрее? Какой медленнее?
• 3) Чем отличаются движения шариков в первом и во втором опытах?
• 4) Какой из шариков движется быстрее — стеариновый или свинцовый?
• 5) Какой из трех шариков самый быстрый? Самый медленный?
• 6) Ответы на четвертый и пятый вопросы еще раз (проверьте опытом).

В результате выполнения опытов, их анализа на основе сравнения, учащихся подводят к понятию скорости.