Эксперимент

Физический эксперимент в проблемном обучении

Ю.П.ДУБРОВСКИЙ,
школа № 10, г. Орёл

Физический эксперимент в проблемном обучении

Сегодня необходимо не только дать школьникам определённую сумму конкретных знаний, но и превратить эти знания в убеждения, в средство познания мира, сформировать научное мировоззрение учащихся. Физический эксперимент убеждает школьников в материальности мира, в его познаваемости. Он вызывает у ребят чувство сопричастности к получению научных фактов, содействуя тому, чтобы они стали плодом собственных размышлений ученика, затрагивали и побуждали его эмоции. Важна роль опыта и в реализации проблемного обучения. Я при изложении нового материала использую два варианта такого обучения с помощью эксперимента.

Первый вариант можно представь схематично в виде следующей цепочки: вопрос – гипотеза – опыт – вывод – новый вопрос и т.д. Проиллюстрирую на примерах.

В 9-м классе после изучения вольт-амперной характеристики проводника ввожу с помощью формулы R = U/I понятие сопротивлениия. Следующий урок посвящаю изучению факторов, определяющих сопротивление проводника. Ставлю вопрос: какие факторы влияют на сопротивление проводника? Вначале в процессе беседы, используя имеющиеся у учеников знания, подвожу их к мысли о том, что сопротивление определяется числом взаимодействий электронов с ионами кристалла. После этого предлагаю выдвинуть гипотезы о факторах, определяющих сопротивление. Ученики обычно высказывают такие предположения: сопротивление прямо пропорционально длине проводника, зависит от его материала, от напряжения и силы тока. Далее эти гипотезы экспериментально проверяются, в результате учащиеся убеждаются в справедливости первых двух своих предположений и в несостоятельности последнего. Кроме того, ставятся опыты, которые показывают зависимость сопротивления от площади поперечного сечения проводника, т.е. вскрывают фактор, который ученики самостоятельно не заметили. Все полученные факты интерпретируются на основе модели строения вещества, что подтверждает его справедливость.

В рассмотренном случае эксперимент служит для проверки научной гипотезы и демонстрирует роль практики в процессе познания. Подобную методику использую и при изучении электроёмкости в 10-м классе.

Активность школьников становится особенно большой, если им предложить самим придумать опыты для проверки выдвинутой ими гипотезы. Такие задания способствуют развитию творческого мышления и могут быть использованы при проведении лабораторных работ. Так, при проведении в 10-м классе лабораторной работы «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока» на столах учеников уже выставлены необходимые приборы. Каждый комплект включает батарею из двух-трёх последовательно соединённых сухих элементов, демонстрационный магазин сопротивлений на вертикальной панели, лабораторные амперметр, вольтметр и выключатель. На доске написано название работы и первое (основное) задание: «Определить внутреннее сопротивление батареи сухих элементов».

Каждому учащемуся выдаются также тексты двух (дополнительных) заданий:

1. Рассчитать, какой будет сила тока в цепи, если внешнее сопротивление равно R. Проверить полученное значение на опыте. Если результаты расчёта и опыта не совпадут, указать возможные причины этого. (Значение сопротивления R каждому ученику даётся разное и отличное от того, какое было выбрано при выполнении основного задания.)

2. Придумать способ определения внутреннего сопротивления источника тока r, если в вашем распоряжении только амперметр и магазин сопротивлений. Определить внутреннее сопротивление. Совпадает ли это значение r с тем, что было получено при выполнении основного задания? Если нет, указать возможные причины этого.

Напоминаю ученикам, что оценка в значительной степени зависит от самостоятельности выполнения работы. После этого записываю на доске требования к оформлению отчёта:

1. Составить письменный план выполнения работы.

2. Нарисовать схему электрической цепи.

3. Записать результаты вычислений и измерений.

Тем учащимся, кто испытывает затруднения в составлении плана выполнения основного задания, даю карточку, на которой написано:

1. Записать формулу закона Ома для полной цепи.

2. Вспомнить, как на опыте определяется ЭДС источника.

3. Ещё раз подумать, как определить r.

В дальнейшем помощь оказывается индивидуально. Учащиеся успешно справляются с работой. В конце урока или в начале следующего провожу коллективное обсуждение выполнения работы. При этом обращаю внимание на обстоятельства, от которых зависит точность выполнения эксперимента. Практика показывает, что такой приём позволяет добиться глубокого уяснения учащимися идеи эксперимента и конкретных особенностей его выполнения.

Второй вариант позволяет добиться ещё большего эффекта. Я использую при изучении нового материала такую цепочку: опыт – проблема – гипотеза – опыт – и т.д. Рассмотрим её применение на примерах.

Учащиеся 10-го класса приступают к рассмотрению вопроса об электромагнитной индукции. Они уже знакомы с различными способами получения электрического тока и твёрдо убеждены в том, что без источника ток создать нельзя. Когда же они наблюдают отклонение стрелки гальванометра, соединённого с катушкой, в которую вносят магнит, это их чрезвычайно удивляет. Конечно, можно было бы до демонстрации рассказать о поисках связи между магнитными и электрическими явлениями, задать повторить материал учебника 7-го класса, но при этом острота впечатления от эксперимента резко снижается, он превращается лишь в иллюстрацию к рассказу учителя, не будит творческую мысль, не вызывает желания понять увиденное. (К рассказу об истоках данного опыта целесообразно вернуться позже, чтобы подчеркнуть логику развития науки.) В данном случае большой педагогический эффект вызывает показ серии традиционных экспериментов, подведение учащихся с помощью эвристической беседы к постановке проблемы (чем может быть обусловлен ток в катушке?) и выражению гипотезы о том, что причиной возникновения тока служит переменное магнитное поле. Эта гипотеза проверяется на опытах, в которых магнитное поле меняется различными способами или остаётся постоянным. Результаты опытов по мере их выполнения зарисовываем на доске. Учащиеся видят, что при одних движениях катушки ток возникает, при других – нет. Сопоставляя результаты, они формулируют условие возникновения ЭДС индукции в контуре, т.е. закон электромагнитной индукции в качественной форме.

Такую методику я использую и при изучении правила Ленца, явления самоиндукции, фотоэффекта, фазовых превращений. Например, знакомые ученикам процессы плавления и кипения предстают с совершенно неожиданной стороны, если сначала в ходе фронтальной работы учащиеся убедятся, что температура вещества при плавлении и кипении не меняется. Опыт-загадка позволяет поставить проблему, развивает любознательность ребят, вызывает множество «почему?», что способствует повышению интереса к учёбе.

Особенно большое воздействие оказывает эксперимент-загадка, если он не просто иллюстрирует какое-либо новое явление, а даёт результаты, противоречащие имеющимся у школьников представлениям. К каким, например, удивительным последствиям, приводит анализ опыта по фотоэффекту, в котором эмиссия электронов прекращается, если окно дуговой лампы закрыть стеклом! Подробное обсуждение с учениками раскрывает логику научного познания, приучает их к глубокому систематическому размышлению, воспитывает непредвзятость суждений, конструктивный критицизм. Таких экспериментов в арсенале учителя не так уж много, поэтому стараюсь совершенствовать имеющиеся. Так, при изучении в 10-м классе вопроса «Электрический ток в полупроводниках» провожу следующие опыты.

Собираем цепь, содержащую диод Д2Ж, резистор сопротивлением 6–10 Ом, гальванометр, источник постоянного напряжения 6–8 В. При незначительном нагревании диода над пламенем спички в цепи идёт ток, после остывания диода ток прекращается. Учащиеся наблюдают ограниченность интервала температур, в котором могут работать полупроводниковые приборы. Использование школьного осциллографа делает эту демонстрацию более эффективной. Подавая напряжение с активного резистора на осциллограф (предварительно заменив источник постоянного напряжения на источник переменного напряжения ~10–15 В) на экране получаем вольт-амперную характеристику диода. После непродолжительного нагревания его на экране наблюдаем прямую линию, что свидетельствует о потере p–n-переходом выпрямительных свойств, после остывания диода его вольт-амперная характеристика восстанавливается. Эти демонстрации показывают, что в процессе нагревания полупроводника собственная проводимость начинает преобладать над примесной.

Такие опыты используют для постановки проблемного вопроса, ответ на который потребует от учеников проанализировать два типа проводимости, самостоятельно объяснить наблюдаемые явления и убедиться в ограниченности рабочего интервала температур полупроводниковых приборов.

Проводя эксперимент, стараюсь использовать следующие приёмы, чтобы облегчить школьникам восприятие сути демонстрируемого явления:

– ликвидировать или скрыть несущественные части или детали установок;

– использовать специальные фиксаторы и крупные указатели;

– правильно выбрать индикатор;

– отказаться от описания действий и непременного их исполнения;

– опираться на очевидные для учащихся факты;

– ликвидировать любые несоответствия;

– совмещать демонстрацию установки и чертёжа.

Методика проведения эксперимента, требования к нему являются темой обсуждения на разных этапах обучения физике. Так, в 11-м классе при рассмотрении физики микромира рассказываю ученикам о воздействии приборов на параметры изучаемого объекта, о роли ненаблюдаемых величин в физической картине мира, причинности явлений и статистическом (вероятностном) характере физических законов, что имеет чрезвычайно важное методологическое значение.

Таким образом, физический эксперимент играет значительную роль в проблемном обучении. Он позволяет заинтересовать учащихся, активизировать их мышление, развивает умение самостоятельно делать выводы и проверять их на практике, что имеет первостепенное значение для развития диалектико-материалистического мировоззрения школьников.

• Получение низкочастотных свободных электрических колебаний.

Для демонстрации свободных электрических колебаний с периодом T 2 с я предлагаю собрать цепь по схеме, где L – дроссельная катушка с сердечником, G – гальванометр от демонстрационного вольтметра с самодельным шунтом, R – резистор на 100 Ом, C1 и C2 электролитические конденсаторы ёмкостью по 2000 мкФ, рассчитанные на напряжение 16 В и соединённые между собой неполярно. В результате разрядки конденсаторов через катушку в цепи возникают свободные электрические колебания, на наличие которых указывает колебание стрелки гальванометра.

После проведения опыта полезно начертить графики зависимости силы тока от времени, чтобы облегчить ученикам понимание свободных электрических колебаний.

Памятка учащимся