Методика организации практических работ. 
Система экспериментальных заданий

На занятиях физического практикума учащиеся отдельными звеньями выполняют лабораторные работы по разделу или курсу физики на оборудовании более сложном по сравнению с оборудованием для фронтальных лабораторных работ. На конкретном занятии каждое звено выполняет работу по одной из тем раздела или курса, но в результате проведения практикума все учащиеся должны выполнить определенный перечень работ.

Общие цели физического практикума:

• 1. Способствовать оптимальному выполнению общих задач обучения физике (развитие мышления, формирование познавательных способностей и т. д.).
• 2. Способствовать систематизации знаний, становлению внутрипредметных и межпредметных связей.
• 3. Обобщить и закрепить (углубить) знания по наиболее важным вопросам курса физики.
• 4. Способствовать политехническому образованию (ознакомить учащихся с некоторыми техническими приборами, с методами определения физических величин, встречающихся в технике, и пр.).
• 5. Привить ряд политехнических умений и навыков: собирать установки и выполнять наблюдения; обращаться с измерительными приборами; разбираться в конструкции прибора по описанию; выполнять измерения и обрабатывать полученные результаты; делать вывод по результатам проведенного эксперимента; конструировать установки; работать с химической посудой, источниками тепла, света, электрической энергии; организовать свое рабочее место и соблюдать технику безопасности.

Оптимальное достижение цели физического практикума возможно при такой его организации, когда в каждом классе работы проводятся поэтапно. На первом этапе могут решаться такие задачи, как осуществление преемственности между фронтальными лабораторными работами и практикумом, знакомство с новыми приборами, со спецификой практикума, умение решать экспериментальные задачи, формирование некоторых политехнических умений и навыков. Эти задачи решаются на занятиях одночасового практикума. Однако существуют такие дидактические задачи, которые трудно (или невозможно) решать на одночасовом практикуме. К ним относятся умение обрабатывать результаты опытов со строгим учетом погрешностей, обучение школьников умению конструировать установки на базе знакомого оборудования и разрабатывать план опыта, организация выполнения лабораторных работ, требующих сравнительно большого времени на экспериментальную часть (получение многих данных при большом числе измерений, сравнение разных методов определения одной и той же физической величины, оценка достоинств универсального метода определения разных физических величин и др.). Следовательно, на этом (втором) этапе необходимо проводить двухчасовой практикум. В существующей системе физического практикума лабораторные работы неравноценны по необходимому для их выполнения времени, неравноценны они и по уровню обучения; для некоторых работ достаточно одного часа, другие требуют двух часов.

Одночасовой практикум проводится либо в конце первого полугодия, либо в начале второго, а двухчасовой — в конце учебного года. В неделю должно быть проведено не более двух занятий одночасового практикума и только одно занятие двухчасового.

Для четкой организации занятий физического практикума необходимо правильно хранить оборудование к лабораторным работам. Здесь возможны два варианта. Самым удобным (но не оптимальным) является вариант, когда все приборы, принадлежности и материалы для каждой работы помещены в отдельные укладочные ящики, на которых нанесены номера работ. В этом случае подготовка оборудования к работе сводится к перестановке ящика с полки на стол ученика. Другой вариант предусматривает хранение присущих данной работе приборов в отдельных ящиках, а приборы общего назначения (блоки питания, измерительные приборы и пр.) хранятся отдельно комплектами однотипных приборов. Специфика оборудования поэтапного практикума (одночасового и двухчасового) заключается в том, что приборы в ящиках комплектуются блоками, т. е. так, чтобы в большинстве случаев каждый блок (ящик с приборами) мог быть применен сначала в одночасовом, а затем в двухчасовом практикуме.

В методической литературе и школьной практике встречаются разные рекомендации по структуре письменных руководств к работам практикума (см., например, пособие [6]). В общем случае письменное руководство должно содержать номер и название работы, перечень оборудования, теоретические положения по содержанию работы, схемы, чертежи, рисунки, вывод формул и пр., описание неизвестных приборов, ход работы (порядок выполнения), контрольные вопросы.

Отдельным работам физического практикума в старших классах, а также работам факультативного практикума целесообразно придать исследовательский характер, включив в задание экспериментальные задачи, которые могут быть двух видов. Одни могут требовать разработать опыт с применением определенного оборудования и последующим выполнением разработанного опыта. Возможны и такие, в которых предлагается только теоретически обосновать вариант опыта, который практически можно осуществить, но выполнять его в школьных условиях не нужно. Задачи первого вида могут являться либо основным содержанием работы, либо усиливать содержание работы, в которой описывается какой то опыт. Задачи второго вида направлены на развитие творческого мышления учащихся.

Большинство работ факультативного практикума можно выполнять на изученном ранее оборудовании. Основное внимание здесь можно уделить не изучению отдельных приборов (что тоже важно), а физической сущности изучаемых явлений. Вспоминая изученные приборы, ученики могут более полно использовать их возможности при планировании предстоящего опыта. Так, примен. прибор по кинематике и динамике с движущейся тележкой, на факультативном практикуме можно рассмотреть вопрос: какая доля энергии тележки расходуется на вращение колес и как практически определить момент инерции колес? В качестве примера приведем руководство к лабораторной работе, проводимой в факультативном физическом практикуме исследовательским приемом.

В основу классификации школьных лабораторных работ можно положить разные признаки: приемы умственной деятельности, время выполнения работы, характер руководства и т. д. В таблице приведен возможный вариант классификации лабораторных работ.

КФЛР — кратковременные фронтальные лабораторные работы,.

• 1ч ЛР — одночасовые лабораторные работы,
• 2ч ЛР — двухчасовые лабораторные работы,

УР — устное руководство лабораторной работой, ПР — письменное руководство лабораторной работой, ИлП — иллюстративный прием проведения работы, ЭП — эвристический прием проведения работы, ИсП — исследовательский прием проведения работы, КП — коллективный поиск при выполнении лабораторной работы, ИП — индивидуальный поиск при выполнении лабораторной работы.

Фронтальные лабораторные работы могут быть рассчитаны на урок (45 мин) или могут быть кратковременные (5−20 мин), а работы практикума — одноили двухчасовые. Фронтальные работы проводят разными приемами (иллюстративным, эвристическим, исследовательским) при устном руководстве со стороны учителя и по письменному руководству, с организацией индивидуального или коллективного поиска. Работы физического практикума проводятся иллюстративным, исследовательским приемами или по письменному руководству.

Основная цель фронтальных лабораторных работ — уяснить сущность изучаемого явления или закона, процесса или зависимости, принципа действия прибора или метода измерения физической величины и пр. Кроме того, на этих занятиях приобретаются элементарные навыки экспериментирования: умение организовать свое рабочее место, собирать установки, наблюдать, выполнять измерения с помощью школьных приборов, производить элементарные расчеты, оформлять аналитически и графически результаты опыта, делать выводы. Лабораторную работу часто проводят сразу после изучения того или иного явления или закона.

В школьной практике чаще других встречается вариант проведения одночасовой лабораторной работы иллюстративным приемом при устном или письменном руководстве.

Цель фронтальной лабораторной работы, проводимой иллюстративным приемом, — закрепить, подтвердить, проиллюстрировать знания учащихся по конкретному изучаемому вопросу. В работе, проводимой иллюстративным приемом при устном руководстве, можно выделить несколько этапов: предварительная подготовка, вступительная беседа, конкретизация хода работы, выполнение опытов, итоговая беседа.

• 1. Предварительная подготовка к работе до урока, куда входит расстановка оборудования, выполнение некоторых записей на доске (номер и тема работы, перечень оборудования, если нужно, чертежи и пр.). Можно вместо записи на доске применить проецирование через кодоскоп.
• 2. Вступительная беседа (10−15 мин), в процессе которой воспроизводятся знания учащихся по изученному вопросу, определяется задача работы, выясняются величины, подлежащие измерению, особенности наблюдений и измерений, раскрываются приемы измерений и характеристики приборов, устанавливается порядок выполнения измерений и наблюдений (ход работы) и форма записи. Во время беседы учитель на доске делает необходимые записи (если нужно, выполняет демонстрационные опыты).
• 3. Повторение хода работы учащимися (1−2 мин). Выполнение опытов, наблюдений, измерений и оформление результатов работы учащимися (20−30 мин). Итоговая беседа (5−7 мин) посвящается анализу результатов работы. С учащимися выясняются приближенный характер измерений, возможность нахождения среднего значения по данным измерений нескольких звеньев, обсуждается, как повысить точность измерений, и пр. На занятиях, посвященных измерению физических величин, учитель вычерчивает на доске таблицу, в которую вносит данные 7−10 звеньев, а затем совместно с учащимися класса анализирует записанные данные и средние значения искомых величин. В случае, если строится график, этот график анализируется и т. д.

В качестве примера рассмотрим описание урока, на котором лабораторная работа «Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости» проводится иллюстративным приемом.

На каждый ученический стол выставляют лабораторное оборудование: ленту измерительную, динамометр, набор грузов, штатив, трибометр. На демонстрационный стол учителя выставляют демонстрационное оборудование для определения КПД при подъеме тела с помощью подвижного блока и демонстрационной наклонной плоскости (трибометр).

Вводную беседу (15 мин) проводят в форме беседы.

Что такое КПД? По какой формуле можно подсчитать КПД? (Демонстрируется поднятие тела с помощью блоков и наклонной плоскости по рис. 307 и 308.).

Какую работу в рассмотренных опытах считать полезной, а какую совершенной?

Как вычислить полезную работу в случае подъема тела с помощью блоков, наклонной плоскости?

Как подсчитать совершенную работу в каждом из рассмотренных случаев?

Какое из полученных значений работы должно быть больше и почему?

Какие необходимо провести измерения, чтобы определить КПД наклонной плоскости? (Здесь можно дать образец расчета КПД по результатам демонстрационного опыта, после чего запись стереть.).

Как определить вес тела, примен. лабораторное оборудование?

Какое значение абсолютной погрешности следует взять и как записать полученное значение веса тела?

Как определить и записать силу тяги?

Как найти длину наклонной плоскости и ее высоту?

Какую погрешность мы допускаем при измерении длины и высоты наклонной плоскости с помощью измерительной ленты? (В процессе беседы оформляется запись на доске.).

Объяснение хода работы (2 мин).

На линейке (наклонной плоскости) замечают точку А, которая находится на расстоянии от нижнего конца (рис. 308).

Линейку устанавливают так, чтобы точка, А находилась на высоте от стола.

Учащиеся первого ряда подвешивают к динамометру 2 груза, второго ряда — 3 груза, третьего — 4 груза. К грузам подвешивают брусок и таким образом определяют вес, который равен силе тяжести.

Нагружают брусок грузами и устанавливают на наклонную плоскость. Прицепив динамометр, равномерно тянут брусок вверх. (Чтобы отработать равномерное движение и научиться отсчитывать силу тяги, опыт выполняют 5−6 раз, значение же силы тяги записывают 1 раз.).

Данные измерений записывают в тетрадь и выполняют расчеты. Если останется время, то угол наклона плоскости меняют так, чтобы точка, А находилась на высоте 30 см, и проделывают те же измерения и расчеты.

Повторение хода работы учащимися (1 мин).

Запись плана работы учащимися (1 мин), т. е. перенос в тетради записей, которые оформлены учителем на доске.

Как говорилось выше, практическая часть данного проекта представляет собой набор описаний опытов, пригодных для проведения школьниками в домашних условиях. Опыты разделены по темам: «Простейшие измерения»; «Давление»; «Закон Архимеда»; «Силы поверхностного натяжения»; «Трение»; «Центр тяжести»; «Инерция»; «Теплота» .

Опыты, в основном, взяты из книг: [3], [4], [6]. Все ниже перечисленные опыты проверены на соответствие требованиям, предъявляемым к домашним экспериментальным заданиям.

Простейшие измерения.

Задание 1. Научившись пользоваться линейкой и рулеткой или сантиметром в классе, измерьте при помощи этих приборов длины следующих предметов и расстояний:

а) длину указательного пальца; б) длину локтя, т. е. расстояние от конца локтя до конца среднего пальца; в) длину ступни от конца пятки до конца большого пальца; г) окружность шеи, окружность головы; д) длину ручки или карандаша, спички, иголки, длину и ширину тетради.

Полученные данные запишите в тетрадь.

Задание 2. Измерьте свой рост: 1. Вечером, перед отходом ко сну, снимите обувь, встаньте спиной к косяку двери и плотно прислонитесь. Голову держите прямо. Попросите кого-нибудь с помощью угольника поставить на косяке небольшую черточку карандашом. Измерьте расстояние от пола до отмеченной черточки рулеткой или сантиметром. Выразите результат измерения в сантиметрах и миллиметрах, запишите его в тетрадь с указанием даты (год, месяц, число, час). 2. Проделайте то же самое утром. Снова запишите результат и сравните результаты вечернего и утреннего измерений. Запись принесите в класс.

Задание 3. Измерьте толщину листа бумаги. Возьмите книгу толщиной немного больше 1 см и, открыв верхнюю и нижнюю крышки переплета, приложите к стопке бумаги линейку. Подберите стопку толщиной в 1 см=10 мм=10 000 микрон. Разделив 10 000 микрон на число листов, выразите толщину одного листа в микронах. Результат запишите в тетрадь. Подумайте, как можно увеличить точность измерения?

Задание 4. Определите объем спичечной коробки, прямоугольного ластика, пакета из-под сока или молока. Измерьте длину, ширину и высоту спичечной коробки в миллиметрах. Перемножьте полученные числа, т. е. найдите объем. Выразите результат в кубических миллиметрах и в кубических дециметрах (литрах), запишите его. Проделайте измерения и вычислите объемы других предложенных тел.

Задание 5. Возьмите часы с секундной стрелкой (можно воспользоваться электронными часами или секундомером) и, глядя на секундную стрелку, наблюдайте за ее движением в течение одной минуты (на электронных часах наблюдайте за цифровыми значениями). Далее попросите кого-нибудь отметить вслух начало и конец минуты по часам, а сами в это время закройте глаза, и с закрытыми глазами воспринимайте продолжительность одной минуты. Проделайте обратное: стоя с закрытыми глазами, попытайтесь установить продолжительность одной минуты. Пусть другой человек проконтролирует вас по часам.

Задание 6. Научитесь быстро находить свой пульс, затем возьмите часы с секундной стрелкой или электронные и установите, сколько ударов пульса наблюдается в одну минуту. Затем проделайте обратную работу: считая удары пульса, установите продолжительность одной минуты (следить за часами поручите другому лицу). Примечание. Великий ученый Галилей, наблюдая за качаниями паникадила во Флорентийском кафедральном соборе и пользуясь (вместо часов) биениями собственного пульса, установил первый закон колебания маятника, который лег в основу учения о колебательном движении.

Задание 7. При помощи секундомера установите как можно точнее за какое число секунд вы пробегаете расстояние 60 (100)м. Разделите путь на время, т. е. определите среднюю скорость в метрах в секунду. Переведите метры в секунду в километры в час. Результаты запишите в тетрадь.

Давление.

Задание 1. Определите давление, производимое стулом. Подложите под ножку стула листок бумаги в клеточку, обведите ножку остро отточенным карандашом и, вынув листок, подсчитайте число квадратных сантиметров. Подсчитайте площадь опоры четырех ножек стула. Подумайте, как еще можно посчитать площадь опоры ножек? Узнайте вашу массу вместе со стулом. Это можно сделать при помощи весов, предназначенных для взвешивания людей. Для этого надо взять в руки стул и встать на весы, т. е. взвесить себя вместе со стулом. Если узнать массу имеющегося у вас стула по каким-либо причинам не получается, примите массу стула равной 7 кг (средн. масса стульев). К массе собственного тела прибавьте среднюю массу стула. Посчитайте ваш вес вместе со стулом. Для этого сумму масс стула и человека необходимо умножить примерно на десять (точнее на 9,81 м/с²). Если масса была в килограммах, то вы получите вес в ньютонах.

Пользуясь формулой.

p=F/S,.

подсчитайте давление стула на пол, если вы сидите на стуле, не касаясь ногами пола. Все измерения и расчеты запишите в тетрадь и принесите в класс.

Задание 2. Налейте в стакан воду до самого края. Прикройте стакан листком плотной бумаги и, придерживая бумагу ладонью, быстро переверните стакан кверху дном. Теперь уберите ладонь. Вода из стакана не выльется. Давление атмосферного воздуха на бумажку больше давления воды на нее.

На всякий случай проделывайте все это над тазом, потому что при незначительном перекосе бумажки и при еще недостаточной опытности на первых порах воду можно и разлить.

Задание 3. «Водолазный колокол» — это большой металлический колпак, который открытой стороной опускают на дно водоема для производства каких-либо работ. После опускания его в воду содержащийся в колпаке воздух сжимается и не пускает воду внутрь этого устройства. Только в самом низу остается немного воды. В таком колоколе люди могут двигаться и выполнять порученную им работу. Сделаем модель этого устройства.

Возьмите стакан и тарелку. В тарелку налейте воду и поставьте в нее перевернутый вверх дном стакан. Воздух в стакане сожмется, и дно тарелки под стаканом будет очень немного залито водой. Перед тем как поставить в тарелку стакан, положите на воду пробку. Она покажет, как мало воды осталось на дне.

Задание 4. Этому занимательному опыту около трехсот лет. Его приписывают французскому ученому Рене Декарту (по-латыни его фамилия — Картезий). Опыт был так популярен, что на его основе создали игрушку «Картезианский водолаз». Мы с вами можем проделать этот опыт. Для этого понадобится пластиковая бутылка с пробкой, пипетка и вода. Наполните бутылку водой, оставив два-три миллиметра до края горлышка. Возьмите пипетку, наберите в нее немного воды и опустите в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня воды в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама медленно всплывала. Теперь закройте пробку и сдавите бока бутылки. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление на бутылку, и она снова всплывет. Дело в том, что мы немного сжали воздух в горлышке бутылки и это давление передалось воде. Вода проникла в пипетку — она стала тяжелее и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю воду, наш «водолаз» стал легче и всплыл. Если в начале опыта «водолаз» вас не слушается, значит, надо отрегулировать количество воды в пипетке.

Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от усиления нажима на стенки бутылки вода входит в пипетку, а при ослаблении нажима выходит из нее.

Задание 5. Сделайте фонтан, известный в истории физики как фонтан Герона. Через пробку, вставленную в толстостенную бутылку, пропустите кусок стеклянной трубки с оттянутым концом. Налейте в бутылку столько воды, сколько потребуется для того, чтобы конец трубки был погружен в воду. Теперь в два-три приема вдуйте ртом в бутылку воздух, зажимая после каждого вдувания конец трубки. Отпустите палец и наблюдайте фонтан.

Если хотите получить очень сильный фонтан, то для накачивания воздуха воспользуйтесь велосипедным насосом. Однако помните, что более чем от одного-двух взмахов насоса пробка может вылететь из бутылки и ее нужно будет придерживать пальцем, а при очень большом количестве взмахов сжатый воздух может разорвать бутылку, поэтому пользоваться насосом нужно очень осторожно.