Методологические основы и методика проведения физического эксперимента в школе.
методическая разработка по физике (10, 11 класс)

Методологические основы и методика проведения

физического эксперимента в школе.

                                                              Физика    - наука экспериментальная?

Физика    –    наука   экспериментальная,  это   факт.

 Отсутствие     эксперимента    на     уроках    физики

 превращает    ее    из   науки    экспериментальной

    в науку «мелодраматическую», то есть «меловую».

«Цель обучения ребенка состоит в том,

чтобы сделать его способным развиваться

без помощи учителя».

 Э. Хаббард

Первая    задача   – это мотивация.

Вторая задаче – научность знаний,

  (двигаться от простого к сложному.)

Третья    задача       –    творчество.

1. Задачи физического эксперимента

2. Виды физического эксперимента

3. Требования к физическому эксперименту

4. Техника физического эксперимента и методика его проведения

5. Результаты физического эксперимента

В Федеральном компоненте государственного стандарта общего образования среди приоритетных целей и задач физического образования называется цель «приобретение опыта применения научных методов познания, наблюдения физических явлений, проведения опытов, простых экспериментальных исследований, прямых и косвенных измерений с использованием аналоговых и цифровых измерительных приборов; понимание неизбежности погрешностей любых измерений» (стандарт).

Физический эксперимент в школе применяется в следующих видах :

Демонстрационный эксперимент, который проводит учитель;

Фронтальный эксперимент, лабораторные работы, выполняемые учащимися в процессе изучения программного материала;

Физический практикум -  работы, выполняемые учащимися в завершение предыдущих разделов курса физики или в конце всего школьного курса физики;

Экспериментальные задачи - внеклассные физические опыты: кружки, конференции,  домашние экспериментальные работы.

Эта классификация складывалась постепенно: в начале был только демонстрационный эксперимент, потом ( в конце XIX в.) возникла идея фронтального физического эксперимента, которая окончательно реализовалась в школе только в 50-е гг. ХХ в., затем, 60-е гг. ХХ в был введен в школе физический практикум (1957 г.) . Сейчас школьный физический эксперимент продолжает развивается  различными путями. Во-первых, возникают новые приборы, методы демонстрирования и т.п., т.е. развивается техника, применяемая в эксперименте, развивается и методика проведения эксперимента, что может вносить некоторые добавления в приведенную выше классификацию.

Основное место занимает демонстрационный эксперимент, который присутствует в том или ином виде на каждом уроке физике, демонстрируя физические явления, процессы и закономерности, Учащиеся, наблюдая, обсуждая и вникая в сущность демонстрируемого, видя и мысленно «повторяя» действия учителя при демонстрации опыта, получают и первоначальные экспериментальные умения. Следует иметь в виду, что эти умения складываются не только из того, что будет делать школьник своими руками. Даже не выполняя фронтальные лабораторные работы и работы физического практикума, школьники с помощью демонстрационного эксперимента знакомятся с экспериментальным методом в физике. А привлекая учащихся к выполнению хотя бы части демонстраций их вариантов., вызывая их для повторения того или иного опыта (или какого-то его варианта), учитель обучает их каким-то экспериментальным умениям.

Перечень фронтальных лабораторных работ приводятся в стандарте общего образования. Их достаточно много, они предусмотрены практически по каждой теме курса физики. Фронтальные лабораторные работы связаны хронологически с изучаемым материалом, рассчитаны на один урок, их можно классифицировать и выделить группы работ по:

- наблюдению физических явлений (взаимодействие магнитов, интерференция и др.);

- ознакомлению с приборами и выполнению с их помощью прямых измерений (измерение силы тока, напряжения, массы тела и др.);

-выполнению косвенных измерений физических величин (измерение сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра, измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока и др.);

- установлению зависимостей между физическими величинами, описывающими какой-то физический процесс (исследование зависимости между силой тока и напряжением, между параметрами состояния идеального газа и др.);

- сборке и ознакомлению с принципом действия некоторых технических установок и приборов (сборка электромагнитного реле, детекторного радиоприемника и др.).

В зависимости от дидактических задач, которые решаются с помощью фронтальных лабораторных работ, их можно разделить на иллюстративные (проверочные) и исследовательские (эвристические).

Иллюстративные работы выполняются с целью «проверки» изученных закономерностей или полученного дедуктивного вывода.

Исследовательские работы выполняются с целью проверки гипотез и получения новых знаний, они могут служить основой индуктивного вывода.

Отчет учащихся о работе должен содержать:

Название работы.

Цель.

Перечень приборов и материалов.

Рисунок установки, схему цепи (там, где это необходимо).

Таблицу значений измеряемых величин с указанием их единиц и погрешностей измерений.

Вычисления (необходимые формулы и расчеты).

Вычисление погрешностей результата.

Анализ результатов и выводы.

Физический практикум в программу по физике был введен только в 1957 г. Практически этот вид занятий стал внедряться после того, как были разработаны необходимое оборудование, методика проведения этих работ. В решении этой проблемы велика роль А.А. Покровского и И.М. Румянцева.

Физический практикум проводится с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений путем использования более сложного оборудования, более сложного эксперимента; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом.

Физический практикум не связан по времени с изучаемым материалом, он проводится, как правило, в конце учебного года, иногда - в конце первого и второго полугодий, и включает серию опытов по той или иной теме.

Несмотря на то, что изучаемые зависимости уже известны учащимся и в этом смысле работы носят иллюстративный характер, но тем не менее деятельность учащихся может быть организована в логике экспериментального исследования. В этом случае они планируют эксперимент, подбирают и обосновывают выбор приборов и т.д.

Экспериментальные задачи.  Домашние экспериментальные и лабораторные работы - простейший самостоятельный эксперимент, который выполняется учащимися дома, вне школы, без непосредственного контроля со стороны учителя за ходом работы.

Главные  задачи экспериментальных работ:

- формирование умения наблюдать физические явления в природе и в быту;

- формирование умения выполнять измерения с помощью измерительных средств, использующихся в быту;

- формирование интереса к эксперименту и к изучению физики;

- формирование самостоятельности и активности.

Домашние лабораторные работы могут быть классифицированы в зависимости от используемого при их выполнении оборудования:

- работы, в которых используются предметы домашнего обихода и подручные материалы (мерный стакан, рулетка, бытовые весы и т.п.;

- работы, в которых используются самодельные приборы (рычажные весы, электроскоп и др.);

- работы, выполняемые на приборах, выпускаемых промышленностью.

Давно рекомендовано учащимся иметь домашнюю лабораторию. В нее включались в первую очередь линейки, мензурка, воронка, весы, разновесы, динамометр, трибометр, магнит, часы с секундной стрелкой, железные опилки, трубки, провода, батарейка, лампочка. Однако, несмотря на то, что в набор включены весьма простые приборы, это предложение не получило распространения.

Для организации домашней экспериментальной работы учащихся можно использовать так называемую мини-лабораторию, предложенную учителем-методистом Е.С. Объедковым, в которую входят многие предметы домашнего обихода (бутылочки от пенициллина, резинки, пипетки, линейки и т.п.), что доступно практически каждому школьнику. Е.С. Объедков разработал весьма большое число интересных и полезных опытов с этим оборудованием.

Кроме того, промышленностью выпускаются различные конструкторы (по оптике, электричеству, электромагнетизму), которые могут быть использованы для домашнего эксперимента.

В последнее время появились фирмы, выпускающие школьное оборудование в виде как комплектов, так и отдельных приборов. Простейшие из этих приборов могут оказаться доступными для  приобретения учащимися и войти в состав домашней лаборатории.

Появилась также возможность использовать ЭВМ для проведения в домашних условиях Модельного эксперимента. Понятно, что соответствующие задания могут быть предложены тем учащимся, у которых дома есть компьютер и программно-педагогические средства.

Учащимся старших классов целесообразно предлагать работы более высокого уровня: конструкторские, исследовательские.

Результаты выполненных работ должны быть соответствующим образом оформлены (так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Их следует обязательно обсудить и проанализировать на уроке.

Экспериментальные задачи  - физические задачи, постановка и решение которых связаны с экспериментом: с различными измерениями, воспроизведением физических явлений, наблюдениями за физическими процессами, сборкой установок электрических цепей и т.д.

Большинство таких задач строится так, чтобы в ходе решения ученик сначала высказал предложения, обосновал умозрительные выводы, а потом проверил их опытом. Такое построение вызывает у учеников большой интерес к задачам и при правильном решении большое удовлетворение своими знаниями.

Экспериментальные задачи можно разделить на следующие виды:

- Задачи, в которых для получения ответа приходится либо измерять необходимые физические величины, либо использовать паспортные данные приборов, либо экспериментально проверять эти данные.

- Задачи, в которых ученики самостоятельна устанавливают зависимость и взаимосвязь между конкретными физическими величинами.

- Задачи, в условии которых дано описание опыта, а ученик должен предсказать его результат.

- 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.

- Задачи на глазомерное определение физических величин с последующей экспериментальной проверкой правильности результата.

- Задачи с производственным содержанием, в которых решаются конкретные практические вопросы.

Значение экспериментальных задач в том, что они повышают активность учащихся на уроке, способствуют устранения формализма в знаниях, приобретению навыков исследовательского характера, формируют критический подход к оценке результатов измерений.

Требования к школьному физическому эксперименту

Экспериментальный метод в преподавании физики в средней школе является одним из основных методов обучения физики. Он в весьма доступной и наглядной форме знакомит школьников с демонстрационным подходом к познаванию физических явлений. Закономерностей и процессов в науке - физике. А метод обучения есть отражение метода познания в деятельности, которая называется обучением. Как велико значение демонстрационного метода в науке физике, так оно велико в обучении физике, в преподавании учебного предмета «физика». Специфика демонстрационного метода в его наглядности, убедительности и в педагогической эффективности.

Видимость всеми учащимися класса. Учащиеся должны видеть все детали опыта.  Для обеспечения видимости опытов  демонстрационные приборы должны быть достаточно больших размеров, а если это невозможно, то следует применять специальные способы, обеспечивающие их видимость.

Наглядность -  предполагает ясную и понятную постановку демонстрируемого опыта. Это достигается тем, что в демонстрационной установке удаляются или скрываются не столь существенные детали, выбирается такой вариант опыта. Который будет легче всего понят учащимися. Идеалом является тот случай, когда учащиеся с первого взгляда как бы все понимают в установке, а учитель еще дополняет это «понимание» своим рассказом, указаниями, как и где сосредоточить свое внимание при наблюдении опыта.

Кратковременность опыта  -  обосновывают тем, что в учебном процессе дорога каждая минута. Действительно. Время дорого. Но в показе демонстрации основное не экономия времени, а обеспечение наглядности и видимости опыта. Опыт должен длиться столько времени, сколько нужно для показа явления.

Выразительность и эмоциональность. – эксперимент должен вызывать  удивление и восторг учащихся при  наблюдении действий учителя.

Занимательность  -  эксперимент должен вызывать интерес  у учащихся .

Надежность эксперимента -  возможность повторного его показа (уверенность учителя в том, что эксперимент  может быть  осуществлен еше раз).

Убедительность эксперимента  -  просмотр эксперимента не должен приводить к двойственному или неправильному толкованию, а убедительно показывать то, что следовало показать.

Соответствие правилам безопасности.

Техника школьного физического эксперимента и методика его проведения

При подготовке демонстрационного эксперимента к уроку учитель обычно выполняет следующую последовательность действий:

- определяет дидактическую цель опыта и его место в структуре урока или этапе урока;

- четко формулирует, какое явление, или свойство вещества, или устройство собирается демонстрировать;

- определяет элементы экспериментальной установки: объект исследования, воздействующий элемент, управляющий элемент, индикатор;

- составляет принципиальную схему экспериментальной установки;

- определяет методом прикидки параметры элементов экспериментальной установки;

- выбирает вариант экспериментальной установки и подбирает приборы, руководствуясь их эксплуатационными возможностями и дидактическими требованиями к демонстрационному эксперименту;

- собирает демонстрационную установку;

- продумывает расположение приборов на демонстрационном столе и подбирает средства, позволяющие обеспечить наилучшую видимость демонстрации.

Каждый демонстрационный опыт должен готовиться и проверяться заранее, до урока. Готовую демонстрацию можно перенести на подвижный столик, а непосредственно перед уроком вынести в класс и переставить на демонстрационный стол.

Технология демонстрационного опыта предполагает определение этапов этой работы, которые должны следовать один за другим и при их правильном выполнении привести к конечному, запланированному результату.

Демонстрационный эксперимент может использоваться на уроках физики для решения таких дидактических задач, как:

- мотивация изучения нового материала;

- выдвижение познавательной задачи;

- создание проблемной ситуации;

- проверка гипотезы;

- получение индуктивного вывода;

- проверка дедуктивного вывода (теоретического предсказания, выведения следствия и т.п.);

- иллюстрация объяснения учителя.

Результаты школьного физического эксперимента

- создание мотивации и организация внимания учащихся;

- формулирование познавательной задачи;

- описание экспериментальной установки;

- выделение объекта наблюдения;

- выполнение эксперимента, при необходимости его повторение;

- фиксация результатов эксперимента;

- анализ и обсуждение результатов; выводы.

В зависимости от целей  эксперимента и подготовки учащихся учитель выполняет эти этапы сам или привлекает учащихся, что предпочтительнее. В любом случае учащихся следует привлекать к выдвижению гипотезы, к обоснованию выбора приборов для экспериментальной установки, к фиксации и анализу результатов опыта.

На базе показанного опыта учащимся могут быть предложены как качественные, так и количественные задачи, экспериментальные задания. Эксперимент может провести сам учитель либо вызванный ученик.