Эвристические методы решения задач по физике.
методическая разработка по физике (11 класс) по теме

«ЭВРИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ».

( 18 часов).

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА:

Современный педагог – это учитель,  профессионал, владеющий методами  развития творческих способностей учащихся. И это не случайность. Ведь современный человек должен уметь адаптироваться в окружающем его социуме, заниматься самообразованием, быть творческой личностью. К сожалению, в школе педагоги чаще уделяют внимание развитию критического, а не творческого мышления. На его развитие не хватает времени урока, нередко – это результат незнания учителем путей формирования креативности учащихся.

Именно поэтому нагруженные знаниями ученики часто не имеют смекалки, сообразительности, зависимы от родителей.

Целью данного элективного курса является создание условий для развития творческих способностей учащихся путём решения нестандартных, эвристических задач.

Физическая задача – это ситуация, требующая от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике и на развитие мышления. Способы решения традиционных задач хорошо известны: логический, математический, экспериментальный. Методика обучения этим способам опирается на алгоритмические или полуалгоритмические модели. Но при решении творческих задач эти методы порой оказываются бессильными.

Нестандартные задачи требуют нестандартного мышления, их решение невозможно свести к алгоритму. Поэтому наряду с традиционными методами необходимо вооружить учащихся и эвристическими методами решения задач, которые основаны на фантазии, преувеличении, «вживании» в изучаемый  предмет или явление и др.

Эти методы не просто интересны, они раскрывают творческий потенциал ученика, развивают образное мышление, обогащают духовную сферу. Они помогут учителю показать физику, как предмет глубоко значимый для любого человека, огромный культурный аспект физической науки, сформировать устойчивый интерес к ее изучению.

Данный курс позволит так же реализовать  задачи, связанные с формированием коммуникативных навыков, которые способствуют развитию умений работать в группе, отстаивать свою точку зрения. В процессе работы над эвристическими задачами  учащиеся  приобретают и развивают умения выдвигать гипотезу, наблюдать и описывать свойства различных объектов, придумывать и конструировать приборы, делать выводы, участвовать в дискуссии и т.д.

Каждый метод опирается на набор задач, решая которые, ученик осваивает нетрадиционный подход к изучению физических явлений, что позволит в дальнейшем избежать конформизма в мышлении. На изучение каждого метода отводится 1-4 урока, некоторые задания учащиеся получают на дом.

Данная программа легко адаптируется для 10-11 класса. Необходимо лишь подобрать соответствующие задания.

В программе даны краткие описания каждого метода, примеры задач и возможные варианты их решений.

1.      Метод «вживания». 2часа.

Сущность метода: с помощью чувственно-образных и мыслительных представлений человек пытается «переселиться» в изучаемый объект, как бы почувствовать и познать его изнутри.

Пример:

1) «Представьте себе, что вы – растущая береза. Ваша голова – это крона, туловище – стебель, руки – ветви, ноги – корни.

Задача: предложите несколько способов измерения массы растущего дерева.

Варианты ответа: можно снять дерево под разными углами на цифровую камеру, создать на компьютере модель дерева и рассчитать объем, а затем и массу по формуле m=pV.

2) Приведите как можно больше физических законов, которые относятся к такому объекту , как книга. Дайте краткие пояснения каждому случаю.

Ответ: 1 – по анализу радиактивного изотопа углерода можно определить возраст этой книги.

            2 – все законы классической механики.

            3(для  11 класса возможен такой ответ) – представим, что книга – это излучение по теории Луи де Бройля. Найдем

                  длину волны такого излучения:

                         h

                 L = ----                  m = 0,22 кг                    v= 5,5 м\с

                        mv

                 L= 5,48*10-34 м

                         V

                 V= -----  =1,004*1034 Гц – никаким приборам это не засечь. (принцип

                         L

                 неопределенности Гейзенберга). Книга – это тело, состоящее из   частиц.

3) Представьте себе, что вы – оконное стекло. Перечислите как можно больше физических явлений, которые к вам относятся. Дайте краткие пояснения .

2. Метод смыслового видения. 3 часа.

Сущность метода: концентрация внимания на изучаемом объекте позволяет понять (увидеть) его причину, заключенную в нем идею, внутреннюю сущность. Для его применения необходимо создание  определенного настроя. Могут задаваться вспомогательные вопросы: «Какова причина этого объекта, его происхождение?», «Как он устроен, что происходит у него внутри?», «Почему он такой, а не другой?».

Примеры: это могут быть задачи на исследования. Можно исследовать объект, а можно исследовать явление или процесс.

1) Исследуйте все возможные физические свойства металлического шара любого размера, используя подручные средства (в том числе и имеющиеся в лаборатории). Запишите наиболее примечательные факты, которые вы обнаружили, поставленные вами вопросы и версии своих ответов на них.

Ответ: физические свойства – круглый, твердый, холодный на ощупь, железный и т.д..

Можно найти массу: а) взвесить, б) через взаимодействие, в) m=pv.

Можно найти удельную теплоемкость:

       Q

С= ------ (предложен способ)

      m^t

Можно выяснить коррозийную стойкость шарика, поместив его в солевой раствор.

3. Метод придумывания. 3 часа.

Создание нового, неизвестного ранее продукта, в результате определенных умственных действий. Используются  такие приемы, как замещение качеств одного объекта качествами другого; поиск свойств объекта в иной среде; изменение элемента изучаемого объекта и описание свойств нового, измененного.

1) В физике существует понятие силы тяжести. А могла бы существовать «сила легкости»? Какие физические явления она тогда характеризовала бы? С какими другими физическими величинами она была бы связана? Составьте и обоснуйте формулу, связывающую «силу легкости» с другими величинами.

Ответ: пусть сила легкости – сила, противоположная силе тяжести. Противопоставим другие силы друг другу: сила давления – сила реакции опоры, сила тяги – сила трения, то есть противопоставляемые силы уже есть А значит «сила легкости» - это второе название уже известной силы, так как силе тяжести противоположна Fa, то она и есть  сила легкости.

2) Придумайте игрушку, принцип действия которой основан на законе Ома (или Паскаля). Опишите ее принцип действия.

3) Луч света имеет особенности прохождения через собирающую линзу. Что может быть собирающей линзой для звука? Предложите и опишите конструкцию такой линзы. Приведите примеры ее возможного применения.

4. Метод «Если бы…». 2 часа.

Составляется описание или рисуется картина о том, что произойдет, если в мире что-либо изменится – увеличится в 10 раз сила гравитации и т.д. Подобный метод не только развивает способность воображения, но и позволяет лучше понять устройство реального мира, его фундаментальные физические основы.

1) Опишите гипотетическую ситуацию на тему: «Если бы тепло от более холодных тел самопроизвольно переходило к более нагретым…» Каков мог бы быть механизм такого процесса?

Ответ: Второй закон термодинамики изменился бы на противоположный.

Состояние неустойчивого равновесия – когда два тела имеют равную температуру. Стоит одной температуре немного повыситься, как это тело начнет нагреваться, а другое – остывать. Солнце днем будет охлаждать Землю. Свет будут излучать холодные тела. Люди будут ночью нагреваться, а днем – охлаждаться. Зато решится проблема сверхпроводимости. Сверххолодные провода будут использоваться в линиях электропередач.

5. Метод гиперболизации. 1 час.

Мысленно увеличивается или уменьшается объект познания, его отдельные части или качества. Новые свойства объекта приводят иногда к необычным идеям и решениям задачи.

1) Что произойдет, если скорость звука станет больше скорости света?

6. «Мозговой штурм» (метод Осборна) и метод синектики (метод Гордона). 3 часа.

Эти методы похожи по организации и базируются на одних и тех же принципах. Но есть некоторые смысловые различия.

Основная задача метода «мозговой штурм» - коллективный сбор как можно большего числа идей, в результате освобождения участников от инерции мышления и стереотипов в непринужденной обстановке. Работа происходит в нескольких группах по схеме: генерация идей, анализ проблемной ситуации и оценка идей, генерация контридей. Генерация идей происходит в группе по определенным правилам. На этапе генерации идей любая критика запрещена. Всячески поощряются оригинальные мысли. Затем полученные в группах идеи, систематизируются, объединяются по общим принципам и подходам. Далее рассматриваются всевозможные препятствия к реализации отобранных идей. Оцениваются сделанные критические замечания. Окончательно отбираются только те идеи, которые не были отвергнуты.

Метод синектики  основан на использовании различного вида аналогий (словесной, образной, личной), инверсии, ассоциаций. В начале обсуждаются общие признаки проблемы, выдвигаются и отсеиваются первые решения, генерируются и развиваются аналогии, используются аналогии для понимания проблемы, выбираются альтернативы, ищутся новые аналогии, затем возвращаются к проблеме.

Пример:

1) Как известно, для электричества существуют силы притяжения и отталкивания. Могут ли существовать силы отталкивания для гравитации? Ответ обоснуйте.

Ответ: известно, что Fпр ~  m  тела. Но если следовать законам физики, то должна существовать  Fот, причем Fот +  Fпр = 0. Сила отталкивания должна быть пропорциональна антимассе. Но если гравитационное поле  ~ энергии тела, то отталкивающее поле должно энергию поглощать. Может быть это ЧЕРНАЯ ДЫРА?

2) Какой физический прибор можно создать на основе гвоздя ?(молотка). Опишите его назначение, принцип действия, границы применимости, схему.

7. Метод инверсии или метод обращений. 4 часа.

Когда стереотипные приемы оказываются бесплодными, применяется принципиально противоположная альтернатива решения. В математике этот метод известен доказательство от противного.

Наверно владение именно этим методом позволило великим ученым совершать открытия, объясняя парадоксальные результаты некоторых экспериментов. Возникновение в процессе развития науки парадоксальных результатов – закономерное явление. Достаточно вспомнить «безумные» идеи Галилея, Резерфорда, Эйнштейна, Бора и ту смелость, с которой они их выдвигали, чтобы понять, что это существенная черта научного мышления.

Это метод незаменим в разрешении проблемных ситуаций, может быть использован при построении проблемных лекций.

Пример: определим начальную скорость брошенного вертикально вверх камня, если через 4 секунды после броска он оказался на высоте 6 метров?

Дано:

t = 4 с                                      

h = 6 м

g = 9,8 м\с2                     

V0 - ?                                                 

-------------------------      

                 gt2

h = V0t -  -----    

                  2

                   gt2

                     h + ----

                    2               2h + gt2

V0 =  ---------------  = ------------- = 21,5 м/с.

                t                         2t

Как должна измениться  V0, чтобы на той же высоте камень оказался через 2 секунды, то есть в 2 раза быстрее.

Очевидно, что V0 должна возрасти. Вычислим ее:

           2,6 м + 10м/с2 х 4с2

V0 = ---------------------------- = 13 м/с !

                      2,2 с

Решение: Решим обратную задачу и найдем моменты времени, когда тело бывает на высоте h.

Для V0 = 21,5 м/с   6= 21,5t  - 5t 2    →        t1 = 4 с,  t2 = 0,3 с.

Для V0 = 13 м/с      6= 13t - 5t2          →       t1 = 2 с,  t2 = 0,6 с.

То есть тело на этой высоте побывало дважды. Чем больше V0, тем дольше  будет подниматься тело вверх и дольше будет падать. Результаты получили и для движения вниз.

Применяя те или иные методы, учитель должен иметь ввиду, что каждый ученик может и, наверное, должен получить свое собственное решение творческой задачи. И это «добытое» знание можно преобразить  и обогатить, но ни в коем случае не отвергать. Такой подход и будет эвристическим, от греческого слова «эвристика», что означает «нахожу». Результаты личностного роста и развития творческого мышления можно отслеживать при помощи технологии «Портфолио» (портфель достижений), в котором будут накапливаться творческие проекты решённых задач, предложенных теорий и т.д. В старших классах можно предложить учащимся самим продолжить работу по составлению творческих задач по какой –либо тематике в качестве зачетной работы по данному курсу.

Литература:

1.      Гальперштейн Л. Забавная физика: научно-популярная книга. – М.: детская литература, 1993 г.

2.      Ланда Л.Н. «Умение думать. Как ему учить?» - М.: Знание, 1975 г.

3.      Лани В.Н. Экспериментальные физические задачи на смекалку: учебное руководство – М.: Наука, 1985 г.

4.      Уокер Дж. Физический фейерверк. – М.: Мир, 1988 г.

5.      Усова А.В., Бобров А.А. Формирование у учащихся учебных умений – М.: Знание, 1987 г.

6.      Хуторской А.В. Мироведение: Эвристическое пособие для учеников 5-9 классов – Ногинск, 1995 г.