Классификация экспериментальных задач

Экспериментальные задачи делятся на качественные и количественные. В решении качественных задач отсутствуют числовые данные и математические расчёты. В этих задачах от ученика требуется или предвидеть явление, которое должно совершиться в результате опыта, или самому воспроизвести физическое явление с помощью данных приборов.

Например: «Взять сырую картофелину и разрезать её пополам. В центре среза поместить кусочек марганцовки и соединить половинки. Через некоторое время их разъединить. Назвать наблюдаемое явление и объяснить его».

«В пробирке находится расплавленный парафин. Какую форму примет его поверхность при затвердевании? Проверить опытом, объяснить».

При решении количественных задач сначала производят необходимые измерения, а затем, используя полученные данные, вычисляют с помощью математических формул ответ задачи.

Например: «Определить удельное сопротивление данной проволоки, имея аккумулятор, амперметр, вольтметр, микрометр и масштабную линейку. По таблице удельных сопротивлений установить, из какого материала сделана данная проволока».

«Имея мензурку с водой, определить архимедову силу, которая будет действовать на данный кусок металла при погружении его в воду. Ответ проверить опытом с помощью динамометра».

Проверка правильности решения таких задач может быть осуществлена разными способами в зависимости от содержания задач. Решение большинства количественных задач проверяется путём непосредственного измерения искомой величины с помощью соответствующих приборов; с помощью другого контрольного опыта, т. е. другим способом и другими приборами; по паспортным данным или таблицам. Решение качественных задач проверяется, как правило, с помощью постановки контрольного опыта. Например, в задаче дано описание опыта, требуется предсказать его результаты. Контрольный эксперимент, выполненный учеником, либо подтвердит его ответ, либо опровергнет. Частичного совпадения логического решения и опыта здесь не должно быть, поэтому необходимо свести к минимуму все побочные факторы, отрицательно влияющие на результат эксперимента. Приборы для контрольного опыта заранее выдавать не следует. Иначе, как правило, ученик сначала проделывает контрольный опыт, а потом подгоняет решение к результату эксперимента [21].

Качественные экспериментальные задачи

К качественным экспериментальным задачам следует отнести задачи, поставленные на конкретной физической установке, на конкретном вещественном материале и не требующие для решения количественных данных и математического расчёта. Это могут быть задачи-вопросы, которые есть в учебниках или задачниках. Вопросы к задаче могут быть поставлены иначе. Приготовив установку можно спросить у учащихся, что произойдёт в результате наших действий. В другом случае им предлагается не предвидеть событие, а показать его. В этом случае мы не спрашиваем что будет, а спрашиваем как это сделать?

Примеры качественных экспериментальных задач

При прохождении темы «Давление газов» или при её повторении можно собрать на демонстрационном столе установку, состоящую из колокола воздушного насоса, под которым находится стакан, частично наполненный мыльной пеной. Тарелка, на которой собрана установка, соединена с насосом Комовского. Опыт можно упростить, используя толстостенный сосуд, частично наполненный мыльной пеной и насос Комовского. Показав установку учащимся, предлагаем им решить, что будет наблюдаться внутри стакана, если воздух из-под колокола начать откачивать? Учащиеся должны подробно разобрать задачу и обосновать, почему пена будет подниматься, заполняя сосуд. После того как решение будет найдено и подтверждено опытом, следует учащихся спросить: что произойдёт, если воздух вновь пустить?

Широко распространённые задачи — вопросы, связанные с атмосферным давлением с законом Архимеда, поставленные экспериментально, также могут служить хорошим примером качественных экспериментальных задач.

Количественные экспериментальные задач

Количественными экспериментальными задачами следует назвать такие задачи, решение которых осуществляется путём математической обработки данных, полученных экспериментально, в процессе их решения, то есть уже после того как задача была поставлена. Решение таких задач начинается с планирования эксперимента, который должен быть поставлен для получения количественных данных, нужных для рения задачи.

Примеры количественных экспериментальных задач

Поставив на стол мензурку с водой, и положив рядом с ней пробирку, предлагаем учащимся, пользуясь мензуркой, определить вес или массу данной пробирки. Такая задача решается просто. Измерив, уровень воды в мензурке, опускают в неё пробирку. Пробирка будет плавать, вытесняя некоторое количество воды. Плотность воды составляет 1 г/см^3, следовательно, объём вытесненной воды численно равен весу плавающей пробирки. Зная вес пробирки, вычисляют её массу. Можно предложить и более сложный вариант задачи: определить плотность стекла пробирки, используя мензурку с водой. После определения массы стекла, целиком утопив пробирку, определяют объём стекла, вычисляют плотность. Подобные задачи, кроме формирования умений, развивают интерес и фантазию.

Можно предложить учащимся вычислить силу, с которой воздух давит на площадь тетради, раскрытой перед ними. (Отличием температуры воздуха от 0 ^єС и высотой над уровнем моря пренебречь). Участие в таких экспериментах ограничено и сводится только к получению нужных для решения задачи величин путём непосредственных измерений. Правильность решения этой задач и не проверяется. Такие задачи относятся ко второй группе количественных экспериментальных задач. Отличительным признаком задач второй группы и вместе с тем их недостатком является неосуществление в ходе решения задачи того физического процесса, о котором идёт речь в задаче. Тем не менее, постановка и решение экспериментальных задач второй группы имеет большое практическое значение.

По месту эксперимента, по степени его участия в решении И. Г. Антипин разделяет экспериментальные задачи на несколько групп:

• 1. Задачи, в которых для получения ответа приходится либо измерять необходимые физические величины, либо использовать паспортные данные приборов (реостатов, ламп, электроплиток и т. д.), либо экспериментально проверять эти данные.
• 2. Задачи, в которых ученики самостоятельно устанавливают зависимость и взаимосвязь между конкретными физическими величинами.
• 3. Задачи, в условии которых дано описание опыта, а ученик должен предсказать его результат. Такие задачи способствуют воспитанию у учащихся критического подхода к своим умозрительным выводам.
• 4. Задачи, в которых ученик должен с помощью данных ему приборов и принадлежностей показать конкретное физическое явление без указаний на то, как это сделать, или собрать электрическую цепь, сконструировать установку из готовых деталей в соответствии с условиями задачи. Решение таких задач требует от учащихся творческого мышления, смекалки.
• 5. Задачи на глазомерное определение физических величин с последующей экспериментальной проверкой правильности ответа. Такие задачи помогают ученику предварительно оценивать результаты измерений и тем самым правильно выбирать нужные для опыта приборы и инструменты.
• 6. Задачи с производственным содержанием, в которых решаются конкретные практические вопросы. Такие задачи можно разбирать во время экскурсий, работы в учебных мастерских, а также на уроках, используя для этого различные инструменты, приборы и технические модели [22].

И. Г. Антипин отмечает также, что приведенная им классификация условна, так как резких границ между отдельными группами нет.

Экспериментальные задачи могут быть классифицированы также в зависимости от используемого при их выполнении оборудования [23]:

• 1. Изучение человека. Это задания на определение различных параметров человека (длина шага, средняя скорость движения, работа, совершаемая при ходьбе, мощность работы сердца и т. д.).
• 2. Пользование бытовыми измерительными приборами. Задания на применение измерительных приборов: рулетки, мерной кружки, шприца, термометра и т. д.
• 3. Применение бытовых предметов. Эти задания знакомят с физическими характеристиками повседневных продуктов питания: соли, сахара, картофеля и т. д.
• 4. Правильное использование транспортных средств (автомобиль, велосипед и т. д.) и изучение их комплектующих: двигателя внутреннего сгорания, коленчатого вала и т. д.
• 5. Использование спортивного инвентаря и спортивных сооружений (горки, качели, мяча, лыжи и т. д.)
• 6. Конструирование приборов и приспособлений с последующим использованием их в домашнем эксперименте.