Выступление на тему "Совместные экспериментальные исследования учителя и учащихся".
статья по теме

Совместные экспериментальные исследования учителя и учащихся

Образовательные стандарты по физике и современные педагогические тенденции ориентируют нас на перестройку организации учебного процесса. В наибольшей степени это касается экспериментальной деятельности учителя и учащихся. Почему? Всё дело в том, что учащиеся должны освоить не только конкретные практические умения, и даже не общеучебные умения, а метод естественнонаучного познания вообще. Наша школа наряду с другими школами участвует в исследовании способов проверки уровня сформированности экспериментальных умений при государственной аттестации в форме ЕГЭ и ГИА. В ходе этого исследования получено много интересного.

Вот один пример. В задании было предложено выбрать одну из трёх предложенных зависимостей силы тока от напряжения для лампочки накаливания, обосновать свой выбор и затем проверить его экспериментально.

Один ученик выбрал кривую 2, обосновав свой выбор законом Ома. Проведя опыт и обнаружив, что полученные данные соответствуют кривой 3, ученик отказался от своего первоначального предположения и объяснил полученный результат зависимостью сопротивления от температуры. Налицо все признаки овладения методом научного познания.

Как построить обучение физике так, чтобы научный метод познания освоило большинство учащихся? Большую помощь здесь могут оказать пособие В.Г.Разумовского, В.В.Майера «Физика в школе. Научный метод познания и обучение» (М.: Владос, 2005) и серия учебников для 7–9-го классов под ред. В.Г.Разумовского и В.А.Орлова, построенных на базе собственных исследований учащихся (см. «Физика», № 14/2005; № 14/ 2007, с. 44).

В пособии подробно, интересно и доступно изложены основы методики, построенной на известном цикле познания: факты–модель–следствия–эксперимент–факты... В учебниках показана практическая реализация методики обучения физике на основе демонстрационных исследований, проводимых учителем, и фронтальных экспериментальных исследований, выполняемых учениками.

Кабинет физики нашей школы имеет полный комплект оборудования, поставляемого в школы в соответствии с национальным проектом «Образование», в том числе и комплекты серии «L-микро». Это оборудование обеспечивает исследование на основе демонстрационного эксперимента физических явлений с опорой на все блоки цикла. Но, с нашей точки зрения, предпочтительнее самостоятельные исследования учащихся. Чтобы цикл познания при этом реализовался полностью, эффективно пользоваться технологией совместных исследований, когда на одном уроке объединяются и демонстрационный, и лабораторный эксперименты в коллективной работе в духе научной лаборатории. При этом процесс может быть построен так, что проблему ставит не учитель (как обычно), а ученик.

Приведём пример из практики.

Экспериментальное исследование на уроке по теме «Закон изменения механической энергии замкнутой системы тел, внутри которой действуют силы трения» должно: 1) показать, что разница полных механических энергий системы в двух состояниях равна работе силы трения: Е2 – Е1 = Ас.тр; 2) подтвердить следствие: если Ас.тр = 0, то Е2 = Е1.

Демонстрационный комплект для исследования поступательного движения, полная версия которого представлена на фото, позволяет выполнить оба эксперимента, т.к. этот комплект с помощью компьютерного блока измеряет мгновенную скорость и каретки, движущейся без трения по наклонной плоскости, и бруска, скользящего по ней с трением.

Демонстрационный комплект серии «L-микро» для исследования поступательного движения

Фронтальный набор по механике «L-микро» позволяет учащимся подтвердить соотношение п. 1, но не позволяет проверить следствие п. 2, т.к. каретка скользит по направляющей с трением.

Фронтальный набор серии «L-микро» по механике

Проанализируем варианты построения урока по данной теме. С точки зрения цикла познания основной вопрос в выборе структуры урока следующий: закон об изменении энергии – это следствие законов динамики или гипотеза, возникающая из анализа большого числа явлений, эмпирических фактов?

Когда отсутствовали средства экспериментальной проверки следствия, единственным возможным был динамический подход (тем более что математический вывод из достоверных законов динамики справедлив и безо всякой проверки). Теперь оборудование серии «L-микро» такую проверку позволяет осуществить, и возможны варианты по технологии совместного исследования.

Итак, при динамическом подходе основой является демонстрационное исследование: закон выводится, вывод проверяется на опыте.

При совместном исследовании выдвигается гипотеза о сохранении энергии и исследуется предположение Е2 – Е1 = Ас.тр. В результате этого исследования ученики получают следствие: Е2 = Е1, если Ас.тр = 0, и уже это следствие проверяет учитель в демонстрационном исследовании. Затем обсуждается обоснованность гипотезы Е2 – Е1 = Ас.тр, которую ученики проверяют в своём лабораторном исследовании. Рассмотрим этот вариант подробнее.

Вначале суть исследования объясняется по слайду и проводится демонстрационный эксперимент: с помощью компьютерной системы измеряется мгновенная скорость каретки в точке с координатой 0,7 м (по времени прохождения через оптические ворота двух установленных на ней стержней, расстояние между которыми равно 0,05 м). На экране (и на i-доске) высвечивается это время (0,027с).

Далее рассчитывается значение полной механической энергии в состояниях 1 (l = 0) и 2 (l = 0,7 м). Вычисления производятся на эмуляторе научного калькулятора. Результаты: Е1 = 0,21 Дж, Е2 = 0,21 Дж, =1,85 м/с.

На этом демонстрационная часть совместного исследования завершают и переходят к организации лабораторного исследования. Можно, например, не обсуждая отличий демонстрационной установки, в которой каретка движется без трения, от лабораторной установки по механике, где каретка движется с трением, предложить учащимся провести эксперимент.

Сделав это, они сталкиваются с проблемой: Е2 значительно меньше Е1! Можно реализовать другой вариант: сначала обсудить разницу между демонстрационной и лабораторной установками и оценить соотношение между ожидаемыми в эксперименте значениями энергии в состояниях 1 и 2. В обоих вариантах учитель должен подвести учащихся к гипотезе о том, что Е2 – Е1 = Аc.тр, и к её экспериментальной проверке.

Приводим результаты подобного исследования:

Учащиеся убеждаются в том, что разница энергий равна работе трения. Подводятся итоги совместного экспериментального исследования, которые представлены на следующем слайде.

Технология совместных экспериментальных исследований и её развитие

 В основу этого урока была положена технология совместных экспериментальных исследований учителя и учащихся Идея в том, что урок строится в соответствии со структурой включённого в Стандарт метода познания и цикла познания, элементы которых в той или иной пропорции распределяются между демонстрационными исследованиями, которые проводит учитель, и лабораторными исследованиями учеников. Эти технические составляющие – экспериментальная база для реализации описанной педагогической идеи расширения технологии совместных исследований: экспериментальные результаты, полученные учащимися на уроке физики при фронтальном исследовании плавления кристаллического вещества, обрабатываются на уроке информатики с использованием «информационных» знаний и умений.

Урок проходит в четыре этапа: актуализация знаний и умений учащихся, демонстрационный эксперимент, самостоятельное исследование учащихся и его обсуждение, компьютерная обработка экспериментальных результатов на уроке информатики. Окончательные итоги межпредметного исследования подводятся в начале следующего урока. Остановимся кратко на особенностях каждого этапа.

Цель урока: вспомнить особенности внутреннего строения вещества в различных агрегатных состояниях, обусловленность тепловых свойств движением и взаимодействием частиц; повторить приёмы работы с калориметром, приёмы измерения температуры.

Оборудование: учебник [1], плакаты «Кристаллические тела», модели кристаллических решёток, видеофрагмент «В глубь кристаллов» [2].

Ход урока

I этап

Ученики делятся на две группы.

Вопросы первой группе: • В каких трёх агрегатных состояниях может находиться одно и то же вещество? • Чем отличаются эти вещества друг от друга? • Каковы свойства этих веществ в разных агрегатных состояниях? • Одинаковы ли молекулы в трёх агрегатных состояниях? А если разные, почему? • Если молекулы одинаковы, то почему вещество в разных агрегатных состояниях имеет различные свойства?

Вопросы второй группе: • Что такое процесс плавления? • Что необходимо сделать, чтобы твёрдое вещество перешло в жидкое? • Чтобы расплавить вещества, их надо нагревать до одной и той же температуры? • Что такое температура плавления? • Таблица из учебника [1, с. 32], вопросы 2, 3, 5 из упр. 7, с. 33 • Что такое кристаллизация (отвердевание)? • Что надо сделать с жидким веществом, чтобы оно кристаллизовалось? • Что понимают под температурой отвердевания?

II этап

Полное демонстрационное исследование нагревания, плавления и отвердевания кристаллического вещества позволяет провести комплект «Тепловые явления» серии «L-микро» с использованием компьютерной системы. В комплект входят: датчик температуры до 1000 °C Цельсия, термопара, измерительная система «L-микро» (электронный блок), рабочее поле, две платы с зажимами, два лабораторных штатива с держателем, ложка для плавления, сплав олова и свинца (припой), спиртовка. Технология проведения эксперимента подробно представлена в методических рекомендациях, которые входят в набор. Проведя исследования, получаем график.

В процессе подготовки, проведения и обсуждения результатов исследования обращаем внимание учащихся, что:

а) мы проводим целую серию исследований тепловых явлений с использованием компьютера (нагревание при совершении работы, теплопроводность, излучение, плавление, кристаллизация) и убеждаемся в том, что компьютер – средство не только обработки информации, но и изучения явлений, в частности, тепловых (такое обобщение очень важно, т. к. ученики только на уроках физики могут познакомиться с технологическим применением компьютеров);

б) мы учимся представлять результаты экспериментального исследования в виде графиков, учимся читать их, что крайне важно. Графики отражают все особенности реального процесса, в то время как в учебниках в основном представлены идеальные графики, графики-модели. Поэтому мы должны сравнить идеальный график, представленный на рис. 16, с. 33 учебника, и график, полученный в демонстрационном исследовании;

в) мы даём энергетическое и атомно-кинетическое объяснение всех этапов процессов, происходящих с кристаллическим веществом.

III этап

Учащиеся выполняют лабораторную работу «Исследование процесса кристаллизации» с целью получить данные для построения графика зависимости температуры от времени, определить температуру кристаллизации и на опыте убедиться, что в процессе кристаллизации температура не изменяется. Они строят график, составляют бланк отчёта, делают выводы

Оборудование: калориметр, термометр, кристаллическое вещество в пробирке, стакан с холодной водой.

Порядок выполнения работы: в чайнике нагревают воду (не менее чем до 70 °С), наливают её в калориметр, опускают туда пробирку с легкоплавким кристаллическим веществом и термометр. Наблюдают процесс плавления вещества в пробирке. Чтобы ускорить обратный процесс кристаллизации расплава в пробирке, в калориметр постепенно добавляют холодную воду из стакана и фиксируют температуру через каждую минуту.

Основная группа учащихся готовит график на миллиметровой бумаге, трое – на кодоплёнке (для дальнейшей демонстрации полученных графиков с помощью кодоскопа на экране.

IV этап

При обработке результатов измерений на уроке информатики ученики используют изучаемый ими программный продукт «Мастер-график» и по результатам, полученным на уроке физики, получают графики процесса. На следующем уроке подводят итоги исследования.

Суть используемой нами педагогической технологии ярко выразил академик РАО В.Г. Разумовский: «Прекрасным средством является компьютер. Внедрение компьютеров в учебный процесс, в особенности на уроках физики, знаменует начало новой эры в обучении. Речь идёт об использовании компьютера как инструмента для исследования физических явлений, ведь на нём мы автоматически можем получать любую зависимость параметров всякого протекающего во времени реального физического явления.

Но самое главное, самое принципиально новое в процессе обучения заключается в том, что школьники получают возможность не только строить идеальные модели и изучать их свойства, но и работать с этими моделями как с реальными сущностями».

В течение последних двух лет в нашей работе появился новый подход к содержанию и выполнению исследовательских и проектных работ. В основе подхода лежит метод совместного творчества учителя и ученика. В ходе выполнения исследования учитель и ученик работают над одной темой. При этом учитель в своей части работы решает методические и дидактические задачи, определяет для учащихся исследования, в которых они решают свой ряд задач: углубленного изучения темы, изготовления различных приборов, наглядных пособий, а так же подготовки инструкций к проведению экспериментов и опытов. Для успешной организации совместной деятельности учитель составляет программу выполнения работы. В ней прописываются шаги углублённого освоения учеником интересующей его темы, прописаны задачи учителя и ученика, а так же предполагаемые результаты выполнения.
Выполнение проектных и исследовательских работ осуществляется в содействии учителя с учениками высокой мотивации, а результаты работ проецируются на всех учащихся, т.к. используются при организации учебного процесса.

Полноценное учебное исследование практически невозможно вместить в рамки традиционного  урока, однако отдельные элементы исследовательского метода на уроке отрабатывать можно.

Учитель выполняет роль консультанта, подсказывает направления, редактирует текст. Можно привести некоторые алгоритмы деятельности учителя по организации исследовательской деятельности:

1.Создать положительную мотивацию к работе через постановку интересной проблемы.

2. Совместное участие учителя и ученика в анализе проблемы.

3. Ознакомление с методами исследования.

4. Составление плана работы.

5. Поиск противоречий.

6. Промежуточный контроль и коррекция выполняемой работы.

7. Предзащита работы.

8.Окончательное оформление и защита работы.