Пути и методы использования экспериментальных задач на уроках физики

Организация и проведение уроков физики с использованием экспериментальных задач

В использовании экспериментальных задач большое значение имеет отбор учебного материала для всех исследований, который должен строго соответствовать основным принципам дидактики: научности, систематичности, последовательности, доступности, наглядности, индивидуальному подходу к учащимся в условиях коллективной работы, развивающему обучению, связи теории с практикой.

При этом решаются следующие задачи:

• — обучение учащихся на примере реальных проблем и явлений, наблюдаемых в повседневной жизни;
• — обучение приемам мышления: поиску ответов на вопросы, видению и объяснению различных ситуаций и проблем, оценочной деятельности, приемам публичного обсуждения, умению излагать и отстаивать свою точку зрения, оперативно принимать и реализовывать решения;
• — использование разных источников информации, приемы ее систематизации, сопоставления, анализа;
• — подкрепление знания практическими делами, с использованием специфических для физики методов сбора, анализа и обобщения информации.

Рассматриваемый вид деятельности можно организовать на различных этапах урока; на различных типах уроков; на элективных курсах; а также во внеурочной деятельности (факультативных занятиях, физических вечерах, домашних опытах).

При подготовке экспериментальных задач к уроку используется дифференцированный подход, учитывается объем и сложность задач соответствующих определенному уровню подготовленности учеников. При решении экспериментальных задач прослеживается актуализация опорных знаний и умений учащихся. Особый упор делается на умение учащихся владеть физическими терминами, знание учащимися формул [26].

Методы обучения должны соответствовать цели и задачам урока, а также преобладающему уровню активности познавательной деятельности.

В основе урока должен быть системно-деятельностный подход. Основные мотивы учения — познавательно-побуждающие: учащимся интересно самим применить имеющиеся знания на практике, проявление любознательности, заинтересованности в результате.

Интерес к учению должен поддерживаться проведением мини эксперимента, получением хорошей оценки, похвалы.

Этапы урока должны быть выдержаны во времени. При подведении итогов урока учащимся предлагается проверить правильность решения задачи и оценить себя.

Все дидактические составляющие урока должны быть в соответствии.

Основным признаком экспериментальной задачи является невозможность постановки и решения без эксперимента. Отсутствие полных данных (они добываются во время эксперимента) позволяет отнести эти задачи к разряду тех, которые не могут быть решены без понимания соответствующих физических явлений и процессов. Учащийся должен самостоятельно определить, каких данных ему не хватает, спланировать эксперимент, собрать установку, получить и оценить результаты. При таких условиях решение будет продуманным и осознанным.

Применять экспериментальные задачи мы начинаем с первых уроков физики в 7-м классе — при изучении темы «Измерение физических величин». После того, как ученики познакомились с измерительными приборами (линейка, мензурка, термометр и т. д.) и узнали о погрешностях измерений, им предлагается определить с использованием измерительной линейки:

• — толщину листа бумаги учебника физики;
• — диаметр тонкого медного провода.

При решении этих задач школьники самостоятельно подходят к измерению методом рядов. Обсуждаем, как увеличить точность измерения (увеличить число страниц/витков, заменить линейку штангенциркулем). Такая предварительная деятельность позволяет работу «Измерение размеров малых тел» выполнить дома, самостоятельно. Ко второй задаче возвращаемся после изучения темы «Плотность вещества»: определить диаметр тонкого медного провода, используя измерительную линейку и весы с разновесом.

Экспериментальные задачи можно использовать как дополнительные задания к фронтальным лабораторным работам. Так, в работе «Измерение плотности вещества» каждой группе учащихся дополнительно предлагаем одну из следующих задач:

Задача 1. Определите объём куска дерева неправильной формы, имея ещё и кусок дерева той же плотности правильной формы (параллелепипед или цилиндр), весы, разновес, масштабную линейку.

Задача 2. Определите плотность данного раствора поваренной соли, имея весы, разновес, флакон, чистую воду.

Решение. Пусть m₁ — масса пустого флакона, m₂ — масса флакона с водой, m₃ — масса флакона с раствором, m_в = m₂ — m₁ — масса воды, m = m₃ — m₁ — масса раствора. Тогда (при равных объёмах воды и раствора):

Задача 3. Определите ёмкость данного флакона с водой, используя только весы и разновес.

Решение. С помощью весов измеряем массу флакона с водой m₁ и без неё m₂:

Задача 4. Определите с помощью мензурки среднюю массу одного шарика из коробки с одинаковыми маленькими стальными шариками.

Решение. С помощью мензурки определяем объём V нескольких (n) шариков, находим средний объём одного шарика (V_ср = V/n), определяем m_ср=V.

После выполнения таких работ решение задач становится осмысленным и подготавливает учеников к решению расчётных задач.

Использование экспериментальных задач позволяет также выяснить, насколько ученик усвоил пройденный материал. Так, следующий после изучения темы «Атмосферное давление и его измерение» урок начинаю с задачи: «Как определить высоту, на которой находится кабинет физики?» (оборудование не указываю). Ученики предлагают различные способы: опустить длинную верёвку до земли и измерить её длину; измерить атмосферное давление на 1-м и на 4-м этажах и, зная их разность, определить высоту (вспоминают, что атмосферное давление изменяется с высотой, и предлагают использовать эту зависимость).

Наиболее сложные экспериментальные задачи (олимпиадного уровня) можно широко использовать на факультативных занятиях. Например, ученики делятся на группы, задание группам даётся одинаковое, но с разным оборудованием, что уже ориентирует на тот или иной способ решения. Групповая работа помогает каждому ученику найти своё место в эксперименте, даёт возможность высказаться и принять участие в обсуждении, составлении плана решения [27].

Например, на первом занятии решаем задачу:

Задача 5. Определите плотность вещества, из которого изготовлено тело, используя:

• 1) тело из набора калориметрических тел, динамометр, сосуд с водой;
• 2) деревянный цилиндр, цилиндрический высокий сосуд с водой, линейку;
• 3) стеклянную палочку, линейку, мелкий сосуд с водой, диаметр которого меньше длины палочки.

Решения.

1. С помощью динамометра определяем вес тела в воздухе P₀ и в воде Р_в, применяем закон Архимеда и получаем:

2. Опускаем цилиндр в сосуд с водой так, чтобы он плавал в вертикальном положении. Записываем условие плавания и получаем искомый результат:

3. Поскольку сосуд мелкий, то вертикально расположить стеклянную палочку не удаётся. Палочку кладём на край сосуда так, чтобы она оказалась в равновесии, в соответствии с рисунком 1. Записываем условие равновесия:

Таким образом, нужно измерить l₁ — плечо силы mg, l₂ — плечо силы F_А, l_погр.ч — длину погружённой части и l — длину палочки.

По окончании работы один ученик из каждой группы демонстрирует решение.

Задача 6. На втором занятии предлагаем определить плотность неизвестной жидкости (раствора поваренной соли или медного купороса), используя:

• 1) сосуд с неизвестной жидкостью, кусок алюминия, динамометр;
• 2) сосуд с неизвестной жидкостью, сосуд с водой, тело из набора калориметрических тел, динамометр, нить;
• 3) сосуд с неизвестной жидкостью, сосуд с водой, рычаг-линейку, два одинаковых груза, штатив с муфтой и лапкой, измерительную линейку.

Решения.

1. Погружаем кусок алюминия в сосуд и, используя закон Архимеда, получаем:

где P₀ — вес куска алюминия в воздухе, Р — его вес в жидкости.

2. Определяем объём тела V, Р₀ — вес тела в воздухе, Р₁ — его вес в воде и Р₂ — вес в неизвестной жидкости и, используя закон Архимеда, получаем:

3. Уравновешиваем грузы на рычаге, погрузив один из них сначала в сосуд с водой, затем — в сосуд с неизвестной жидкостью, в соответствии с рисунком 2.

Ход решения для получения итоговой формулы:

а) mgl₁ = (mg — F_A)l₂ (…).

где с_т — плотность погружённого в воду тела, с_в — плотность воды, l₁, l₂ — плечи веса груза (в первом случае).

б) mgl₁' = (mg — F_A)l₂' (…).

где с — плотность неизвестной жидкости, l₁', l₂' - плечи веса груза (во втором случае).

Приведём пример задачи с самостоятельным выбором оборудования, поскольку предполагается несколько способов решения.

Задача 7. Предложите способы определения площади фигуры сложной формы.

Ученики предлагают:

• — использовать метод квадратов, который применяли для определения площади подошвы обуви при расчёте своего давления;
• — изготовить сосуд по форме пластины (например, из пластика или промасленной бумаги), заполнить водой, опустить пластину до полного погружения, при помощи мензурки измерить вытесненный объём, линейкой или штангенциркулем измерить толщину пластины и вычислить площадь;
• — измерить архимедову силу, определить объём, а потом, зная объём и измерив толщину пластины, рассчитать площадь поверхности;
• — обвести контур фигуры на листе плотного картона, измерить массу фигуры из картона и вырезанного из этого картона квадрата — площади этих фигур пропорциональны весу этих фигур.

Обсуждаем, какие варианты могут дать более точный результат: второй и третий дают большую погрешность, если толщина пластины мала, а первый требует много времени.

Такие задачи вызывают эмоциональный подъём даже у слабых учащихся. Все видят, что могут применить свои знания на практике.

Наконец, приведём пример творческой конструкторской экспериментальной задачи:

Задача 8. Сконструируйте и изготовьте простейшие весы, действие которых основано на действии силы Архимеда. «Взвешивание сверхлёгких грузов»: определить массу m кусочка фольги с помощью предложенного оборудования — банки с водой, наполненной почти до краев, куска пенопласта (длина и ширина 24 см, высота 0,51 см), набора гвоздей разного диаметра и зубочисток (длина не меньше 6 см, 5−10 шт. одинакового диаметра), линейки, остро отточенного карандаша, куска фольги (от 22 см до 44 см).

Решение. Измеряем диаметр d цилиндрической части зубочистки методом рядов (положив несколько зубочисток плотно в ряд и измерив линейкой их общую ширину). На одну зубочистку наносим карандашом через 1 мм деления. Втыкаем в пенопласт гвоздики, пока он не погрузится в воду почти полностью. Сверху втыкаем зубочистку с делениями, чтобы пенопласт оказался ниже уровня воды, а зубочистка выступала из воды не меньше, чем на ¾ длины, в соответствии с рисунком 3. При необходимости от пенопласта можно отделить небольшой кусочек. Затем на верхний конец зубочистки прикрепляем кусочек фольги и находим изменение h глубины погружения зубочистки.

Изменение объёма погружённой части:

откуда масса фольги.

где с — плотность воды.

Путь к решению найден.

Опыт работы позволяет заключить, что систематическое применение экспериментальных задач на уроках развивает творческое мышление учащихся, мотивирует к осознанному изучению физики. Предлагаем методику использования экспериментальных задач на уроках физики для организации исследовательской деятельности учащихся через уроки решения задач (см. Приложения А, Б), уроки изучения нового материала (см. Приложение В). Предложенную методику, внедряя ее планомерно и регулярно, можно использовать в основной школе.