Формирование исследовательских умений у учащихся на уроках физики как основа обучения по новым образовательным стандартам
презентация к уроку по физике (10 класс) на тему

Н.А. Куракова,

учитель физики автономной муниципальной школы № 5 с углублённым изучением химии и биологии г. Старая Русса Новгородской области.

Формирование исследовательских умений у учащихся на уроках физики как основа обучения по новым образовательным стандартам

Курс физики в средних общеобразовательных учреждениях уменьшился со 140 часов нагрузки до 70 часов в год. Но требования к уровню подготовки выпускников, которые прописаны в государственном стандарте, остались прежние. Это приводит к необходимости искать новые методы и формы организации учебного процесса, которые позволили бы не снижать качества образования по всей образовательной цепочке.

Поиск таких методов является проблемой преподавателя, желающего обеспечить приемлемые результаты обучения без постановки изначально тупиковых дидактических задач для учащихся.

Одним из выходов из сложившейся ситуации является организация исследовательской работы на уроках. Исследовательская работа в данном случае интересна тем, что она формирует универсальные учебные действия, применяемые для изучения любой темы и любого материала по различным предметам. Кроме того, исследовательская работа значительно увеличивает активность школьников в учебной деятельности.

Детская потребность в исследовательском поиске обусловлена биологически, ребенок рождается исследователем. Попытки выстроить образовательную деятельность в массовой школе на основе исследовательских методов обучения предпринимались с давних времен, однако это не привело к их активному использованию на практике. Традиционное обучение и по сей день ассоциируется с репродуктивными методами, а не основано на методах самостоятельного, творческого, исследовательского поиска. Причина, на мой взгляд, в том, что учителя, как правило, не стремятся показать науку в действии, а лишь говорят о ней, потому исследовательский принцип в обучении сводится в основном к демонстрации опытов и, предложению учащимся самим сделать выводы. А где же само исследование?

Анализ ситуации показал следующее противоречие, что ученики хотят заниматься исследованиями по физике, но не имеют навыков исследовательской работы. Необходимо активизировать учебный процесс и привить интерес к предмету физика, особенно в непрофильных классах. Такая позиция ярко проявляется в старших классах. В связи с этим можно сформулировать следующую проблему, которая заключается в поисках путей перехода от пассивного обучения к активному исследовательскому поиску новых знаний.

Актуальность темы заключается в том, что в методической литературе не достаточно разработан вопрос, связанный с формированием исследовательских умений и навыков на уроках физики в современных условиях. Знания, добытые своим трудом, гораздо прочнее и глубже. Использование метода исследовательской деятельности на уроках и элективных курсах позволит создать условия для творческой мыслительной работы учащихся. Автоматически отпадает необходимость необдуманного, неосмысленного запоминания большого объема учебного материала. Знания учащихся становятся более прочными, а самое главное — сохраняется интерес к изучению предмета.

При анализе результатов ЕГЭ по физике  на секциях методического объединения учителей физики Старорусского района лучшие результаты по ЕГЭ получили только те учащиеся, которые занимались исследовательской деятельностью, принимали участие в научно - практических конференциях школьников, олимпиадах. Ни один ученик, который не принимал участие в исследовательских работах, в эту пятёрку самых высоких результатов не попал.

Опыт исследовательской работы может быть полезен в дальнейшей карьере ребят. Как известно, при  поступлении в ВУЗ - при равном количестве баллов по результатам ЕГЭ предпочтение отдают тем абитуриентам, которые имеют грамоты за призовые места на научно- практических конференциях школьников, олимпиадах. В процессе учебы в ВУЗах им придется работать над курсовыми и дипломными работами и проектами. Эта работа полностью основана на исследовательских методах.

Российская педагогическая энциклопедия определяет исследовательский метод обучения как «организацию поисковой, познавательной деятельности учащихся путём постановки учителем познавательных и практических задач, требующих самостоятельного, творческого решения. Сущность метода обусловлена его функциями. Он организует творческий поиск и применение знаний, обеспечивает овладение методами научного познания в процессе деятельности по их поиску, является условием формирования интереса, потребности в творческой деятельности, в самообразовании».(1)

Термин «исследовательский метод» предложен Б.Е. Райковым в 1924 году. Он понимал исследовательский метод как «…метод умозаключения от конкретных фактов, самостоятельно наблюдаемых учащимися или воспроизводимых ими на опыте».

Физика – наука экспериментальная, в которой результаты эксперимента анализируются с помощью математических методов. Поэтому у учащихся изучение физики часто вызывает серьезные затруднения. Поэтому особенно важно, чтобы уроки не были скучными, монотонными и не сводились бы к простому пересказу материала школьного учебника. Поэтому в классе необходимо создать такую атмосферу учебной деятельности, которая позволяет ученикам думать, открывать новое знание, размышлять, сомневаться, спорить и приходить к общему мнению. В этом помогает использование на уроках методов исследовательской деятельности учащихся.

Цель моей каждодневной работы - формирование исследовательских умений учеников посредством исследовательской деятельности на уроках физики. Для достижения данной цели необходимо решить следующие педагогические задачи: 1) научить приёмам сопоставления, доказательства, планирования; научить приёмам обобщения и конкретизации, 3) научить приёмам выдвижения гипотезы, 4) научить приёмам переноса знаний в новую ситуацию, 5) научить приёмам планирования и постановки эксперимента. Эта работа начинается в самом начале изучения физики, поэтому ученики 10-11 классов знают структуру исследовательской деятельности, содержание этапов, правила оформления отчёта по работе. Около 90% учеников научились чётко формулировать проблему, выдвигать гипотезу, определять цель и задачи исследования.

В качестве примера организации одного исследования рассмотрим  решение задачи «Мониторинг экономичности различных видов отопления в жилых помещениях». Этот вопрос можно рассмотреть в рамках школьной программы в 10 классе, где изучается тема «Термодинамика», на изучение которой отводится 5 часов.

Первый этап посвящен постановке проблемы.

На первом уроке по теме, которая называется «Внутренняя энергия. Работа в термодинамике» во время обобщения теоретического материала задаю вопрос: «Какие проблемы, связанные с термодинамикой, больше всего

волнуют современного человека?» Чтобы зафиксировать ответы, ученикам выдаются карточки, на которых они пишут наиболее волнующую, по их мнению, проблему, связанную с термодинамикой.

Учащиеся выделяют много проблем. Опыт показывает, что, в основном, ученики выделяют те проблемы, которые широко обсуждаются в средствах массовой информации. Например: парниковый эффект, таяние ледников, какое жильё самое экономичное, всемирный потоп и т.д. После того, как собрали все ответы, вместе с учениками проводится рейтинговая диагностика ответов. В результате выявляется проблема, которая лидирует в ответах учеников. Для того, чтобы все учащиеся обратили внимание на разнообразие проблем, все они записываются на доске в порядке убывания количества карточек с соответствующими ответами. В результате получается следующий список проблем и их рейтинг по ответам учащихся:

1. Проблема экономичности жилья - около 50%:
2. Всемирный потоп – около 30%
3. Парниковый эффект – около 25%
4. Другие проблемы - около 5%-

Отсюда делается вывод, что наиболее важной проблемой учащиеся видят проблему экономичности жилья.

Те проблемы, которые остаются за рамками лидерства, дают необходимый диагностический материал для проектирования дальнейшей исследовательской деятельности. К некоторым из них, возможно, обратиться на других этапах учебно-воспитательного процесса.

После того, как определили исследовательскую проблему, обсуждаем с учениками ее актуальность и решаем провести научное исследование «Мониторинг экономичности различных видов отопления в жилых помещениях».

На уроке идет рассказ о том, чем научное исследование отличается от лабораторного занятия. После этого отвечаем на вопрос «Что является объектом исследования?». При обсуждении приходим к выводу, что объектом исследования является воздух в отапливаемом помещении.

Здесь появляется возможность проверить знания учащихся о свойствах газов и, в частности, о свойствах воздуха. При этом учащимся задаются вопросы: «К какому типу относится воздух: одноатомный, двухатомный, многоатомный?» «Является ли воздух мономолекулярным газом или это смесь газов?». Эти вопросы позволяют ученикам увидеть применение уже пройденного материала на практике, что способствует неформальному восприятию знаний по физике.

Если учащиеся затрудняются с ответами, они получают задание на дом  и при этом предлагается найти ответы не только в школьных учебниках, но и в научной литературе. На этом уроке отрабатываются следующие умения: 1) описывать устно физическое явление; 2) применять теорию для объяснения некоторых частных физических явлений; 3) переносить знания в новую ситуацию; 4) анализировать, обобщать информацию, полученную из СМИ, Интернета; 5) определять объект исследования.

На втором этапе  идет планирование исследований по выбранной проблеме и уже известным объектом исследования. Планирование начинается на уроке по теме «Количество теплоты. Теплоемкость. Первый закон термодинамики». В конце этого урока выделятся 10-15минут на небольшую лекцию. В этой лекции учащимся напоминается о том, что такое гипотеза, цель и задачи исследования; чем они отличаются между собой, а также приводятся примеры. Вместе с учениками обсуждается исследование, и в результате приходим к выводу, в котором формулируется цель исследования и задачи исследования.

В соответствии с выделенной проблемой, цель исследования была сформулирована следующим образом: выявить наиболее экономичный вид отопления жилых помещений. Для достижения этой цели были поставлены следующие конкретные задачи исследования:

1) Рассчитать количество теплоты, которое необходимо для отопления: А) Трехкомнатной квартиры; Б) Дома с газовым отоплением; В) Дома с печным отоплением (уголь, дрова).

2) Вычислить оплату отопления за 6 месяцев.

3) Провести сравнительный анализ различных систем отопления с точки зрения экономии расходов на отопление.

4) Дать рекомендации по применению различных видов отопления.

Содержание задач вызывает интерес у учащихся, так как они видят непосредственное применение законов физики на практике и понимают, что на основе их применения можно принимать какие-то обоснованные решения.

Ученики выдвигают гипотезу: самый экономичный вид жилья - 3 квартира с центральным отоплением. После обсуждения гипотезы учащимся напоминается, что гипотеза не всегда подтверждается, бывают и ошибочные гипотезы. Но исследовательская работа требует проверки правильности каждой высказанной гипотезы, и отрицательный результат в исследовании также важен, как и подтверждение гипотезы.

Теперь обсуждается подробный план работы, который в данном случае состоит из следующих заданий:

1 Сбор теоретического материала.

2 Вывод расчётных формул.

3 Проведение эксперимента.

4 Обработка экспериментальных данных

5 Анализ результатов.

6 Отчёт о работе.

После обсуждения пунктов плана предлагаются критерии оценки работы учащихся. При этом предлагаются следующие возможные оценки за выполненную работу:

1. можно написать работу на «удовлетворительно», не привлекая дополнительной литературы;
2. можно написать работу на «хорошо». При этом необходимо использовать дополнительную литературу, описать эксперимент и сделать выводы;
3. можно написать работу на «отлично». Тогда необходимо подготовить презентацию, использовать дополнительную техническую литературу, описать технику эксперимента с учетом погрешностей измерений, провести подробные обоснованные вычисления и сделать подробные обоснованные выводы со сравнительным анализом.

После обсуждения плана и критериев оценки за работу учащиеся получают домашнее задание, в котором требуется выполнить следующие задания:

а) подготовить сообщения: обзор научной литературы по теме «Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики;

б) подготовить историческую справку по названной теме, обратив особое внимание на тех ученых, которые работали по этой теме, а также на историю отдельных открытий;

в) продумать и описать примерно ход эксперимента и сделать образец вывода расчётных формул.

В результате выполнения учебных действий на этих этапах у учащихся формируются и закрепляются навыки и умения выдвигать гипотезу; ставить цель, задачи исследования; воспринимать и на основе полученных знаний самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в сообщениях Интернете, научно-популярных статьях; анализировать; обобщать; систематизировать; планировать ход исследования.

На третьем этап основное внимание уделяется выводу расчётных формул.

Этот этап начинается с урока на тему «Необратимость процессов в природе». На этом уроке основное внимание уделяется решению задач и анализу результатов решения. Как правило, в начале урока 2- 3 ученика выступают с подготовленными дома сообщениями. Затем идет обсуждение предлагаемых экспериментов, и под выбранный эксперимент выводятся рабочие формулы.

В данной статье приводится вывод формул, в основе которого лежат представления учащихся о том, от каких величин зависит стоимость отопления помещения. В качестве примера отапливаемого помещения была выбрана трехкомнатная квартира, для которой в первую очередь был вычислен объем:

,                                        (1)

где геометрические размеры квартиры.

После этого вычисляем массу воздуха в такой квартире. При этом можно использовать знание плотности воздуха. Кроме того, можно рассчитать плотность воздуха по измерению давления в квартире и температуры воздуха, Такой подход является более важным с учебной точки зрения, так как позволяет использовать уравнение Менделеева – Клапейрона для решения конкретной практической задачи. В данной работе для простоты использовалось известное значение средней плотности воздуха, которое принималось табличному значению плотности воздуха при комнатной температуре: .

Тогда массу воздуха в комнате определяли по формуле:

                                                (2)

Теперь вычислим внутреннюю энергию воздуха в комнате, считая воздух идеальным двухатомным газом. При этом удобно использовать выражение внутренней энергии через давление воздуха и объем комнаты:

                                (3)

Рассчитаем количество теплоты, которое необходимо для нагревания помещения на 25С. При этом также использовалось табличное значение удельной теплоемкости воздуха при известном интервале температур:

,                        (4)

где  - табличное значение

Рассчитаем изменение внутренней энергии воздуха при нагревании его на 25 0С.

                        (5)

Теперь рассчитаем количество топлива, необходимого для нагревания этой массы воздуха:

                                (6)

Здесь удельная теплота сгорания топлива или теплотворная способность топлива. Ниже приведены значения этой величины для различных видов топлива:

А) каменный уголь - ; Б) СН4 (метан) - ; В) дерево - .

Теперь можно оценить стоимость топлива , зная стоимость одного килограмма топлива :

                                (7)

После того как вывели формулы, обсуждаем, какие величины надо измерить. Приходим к выводу: надо измерить температуру воздуха в помещении, высоту, ширину, длину комнат  и подсобных помещений; посмотреть в справочной литературе удельная теплота сгорания: А) каменного угля, Б) СН4 (метана), В) дерева. Задание на дом: измерить размеры жилых помещений в доме, температуру воздуха. Отрабатываем умения: переноса знаний в новую ситуацию; сопоставления; планирования эксперимента; умение выводить формулы, которые надо использовать для расчёта; производить измерения.

На четвертом этапе проводим исследование и подведение итогов. На этом уроке удобно разделить класс на три группы. Каждая группа делает расчеты, которые представляются для всех на доске. Результаты записываем в таблицы.

Таблица 1 Определение объемов отапливаемых помещений

Таблица 2. Определение массы воздуха в отапливаемых помещениях

Таблица 3. Определение внутренней энергии воздуха в отапливаемых помещениях

Таблица 4. Определение количество теплоты

Таблица5. Определение внутренней энергии воздуха

№6Таблица массы топлива.

№7Таблица стоимости

№8 Таблица переплаты за отопление, где 100% - стоимость самого экономичного вида отопления.

Обсуждаем учениками результаты исследования, анализируем, обобщаем  и делаем выводы.

В результате полученных данных можно сделать вывод:

1.) Люди, живущие в частных домах с газовым отоплением, платят за отопление меньше всего. Из этого следует, что этот вид наиболее экономичен. Это объясняется тем, что они в любой момент могут включить и отключить свою систему отопления. Идет экономия топлива.

2.) Люди, проживающие в многоэтажных домах с центральным отоплением, платят за отопление почти в 2,5 раза больше, чем в частных домах с газовым отоплением. Это можно объяснить, что они оплачивают все тепловые потери в теплосетях. Но при наличии счетчиков на отопление они бы платили  намного меньше.

3.) В домах отапливаемых дровами и каменным углем мы переплачиваем в 2-2,4 раза. Такой вид отопления не экономичный.

В результате такой организации учебной работы учащиеся отрабатывают умения:  проведение эксперимента; умение решать количественные задачи; анализ результатов; обобщение.

На пятом этапе идет оформление исследования в виде письменной работы, а также подготовка презентации. Если отчёт о работе оформлен с теоретическими предпосылками, грамотно описан эксперимент, сделаны подробные выводы, подготовлена презентация, то такую работу ученика можно рекомендовать на школьную научно-практическую конференцию. При этом учащиеся отрабатывают умения: оформить результаты исследования наглядно (таблицы, графики, презентации, диаграммы и т.д.) и литературно (изложить логически, в соответствии с планом, ход и результат исследования и представить его в виде отчёта). Мною  показано только на одном примере. Однако в нём отразились все существенные моменты моего опыта, которые проявляются в этапах и их последовательности. Подобные исследования проводятся по различным разделам физики.

Результативность опыта

В результате выполнения исследовательских работ ученики научились: видеть проблему; планировать исследовательскую деятельность и эксперимент; выдвигать гипотезу, ставить цель и задачи исследовании; работать с научной литературой и Интернет-ресурсами; собирать экспериментальные данные; анализировать, систематизировать, обобщать полученную информацию; корректировать свои действия; делать презентации; правильно оформлять продукт исследования. Эти данные получены в результате наблюдений за исследовательской деятельностью учеников и анализом её результатов с помощью «Программы наблюдений за формированием исследовательских умений учеников». Усилился интерес к физике как предмету, если раньше у детей доминировала внешняя мотивация, то теперь наметился переход к внутренней работе над собой. Ребятам нравится проводить исследования, они видят социальную значимость своего труда. За последние четыре года проведены следующие исследования: 2006/7г - Исследование на тему «Атомная бомба. История создания атомной бомбы»; 2007/8.г.- «О влиянии наушников на слух», «Исследование зависимости безопасности движения от силы трения»; 2008/9г -  «Мониторинг экономичности различных видов отопления в жилых помещениях», «Влияние давления школьных сумок на позвоночник школьника», « Развитие взглядов на строение солнечной системы»; 2009/10 г. – «Исследование зависимости таяния ледников от примесей», «Мониторинг влажности школьных помещений», «Исследование зависимости механической работы от возраста школьника». Из девяти работ - восемь  стали призёрами школьной научно- практической конференции, а семь работ - призёрами районной конференции. Пять научно-исследовательских работ учащихся опубликованы на сайте «Сеть творческих учителей» Это темы «Атомная бомба. История создания атомной бомбы»; «О влиянии наушников на слух»; «Исследование зависимости безопасности движения от силы трения»; «Мониторинг экономичности различных видов отопления в жилых помещениях»; «Влияние давления школьных сумок на позвоночник школьника».

.

Исследовательские умения повлияли на качество знаний учеников. Ежегодная успеваемость учащихся составляет 100%, в течение последних трех лет качество знаний учащихся выросло с 60% до 70 % . Из года в год ученики выбирают в качестве переводного и выпускного экзаменов физику, занимают призовые места на районных олимпиадах и научно-практических конференциях.

Опыт работы по проблеме «Формирование исследовательских умений у учащихся на уроках физике» может представлять интерес для учителей естественного цикла, занимающихся формированием исследовательских умений учащихся.

Литература.

1. Российская педагогическая энциклопедия //Под. ред. - М Просвещение 1993г.
2. А.И.Савинков. Содержание и организация исследовательского обучения школьников. – М, Библиотека журнала «Директор школы», 2007г
3. В.А.Орлов. «Преподавание физики в условиях введения образовательных стандартов и ЕГЭ» Физика в школе 2006,№15.
4. Л.И.Дубровская «Учебно-исследовательский проект» - Физика в школе, ,№18,2009г; № 24,2004г; №4, 2009г.
5. Ю.Закурдаева. Формирование исследовательских умений - газета Физика в школе»mail@ mhs548/ru.
6. И.Я. Лернер. Проблемное обучение. — М.: Знание/ 1974.