Эксперимент

Современный типовой физический практикум

1. Проблема восстановления лабораторного практикума является весьма острой. Его необходимость при профильном (4–5 ч/нед.) и углублённом (6 ч/нед. и более) уровнях изучения физики вытекает, во-первых, из содержания примерных и авторских программ, которые выделяют на проведение практикума от 10 до 15% учебного времени, а во-вторых, из Государственного образовательного стандарта (ГОС), который определяет освоение экспериментальной составляющей метода познания как одну из главных целей изучения физики в школе.

Учителя физики профильных и углублённых классов оказались в весьма непростой ситуации. В программах сейчас не указаны даже названия работ практикума, а из оборудования промышленно выпускаются лишь один комплект для практикума «Электродинамика» (ООО «Научные развлечения»), генератор сигналов ФГ-100, источник питания и около десятка разрозненных приборов. Пособия для практикума, изданные много лет назад, опираются на использование оборудования двадцатилетней давности и не соответствуют новой концепции физического образования. Реально используются для целей практикума фронтальные наборы серии «L-микро» (ООО «Научные развлечения») и сохранившееся кое-где старое оборудование. Всё больше распространяются виртуальные эксперименты, наблюдаемые на экране компьютера. Кое-где внедряются цифровые лаборатории типа «Архимед», но они не согласованы с программами и ГОС, не приспособлены к урочной форме организации практикума.

2. На системное решение обозначенных проблем направлен инновационный проект «Организация и оборудование лабораторного практикума на профильном и углублённом уровнях изучения физики» (руководители Никифоров Г.Г., Поваляев О.А., Фролов В.П.). В проекте участвуют ведущие научные разработчики учебной техники (ООО «Научные развлечения», ООО «Учтехприбор») и инновационные учреждения Москвы и Московской области: МОУ СОШ № 1543 (г. Москва, учитель Галкина Т.А.); школы г. Раменское и Раменского района: гимназия г. Раменское (учителя Воскобойникова Н.И., Корешкова Е.Ф., Петрова Е.Г., Тарасова М.А.^*), гимназия № 2 (учитель Вергасов А.И.), МОУ СОШ № 10 (учитель Сошкин В.К.); Удельнинская гимназия (п. Удельная, учителя Андреева Н.В.^*, Зотова Е.М., Косинская И.А.), МОУ СОШ № 8 (учитель Королёва Т.Н.), МОУ СОШ № 22 (учитель Фролов С.Г.), Речицкая школа (учитель Карпов С.В.), школа № 11 посёлка Дружба (учитель Мещеряков С.А.); МОУ СОШ № 29 (г. Подольск, учителя Царьков И.С.^*, Андронова С.А., Чеботарёв П.Н.), лицей № 5 (учитель Тесницкий А.Н.) и др.

3. Представим педагогические и методические основания, на которые опирается указанный инновационный проект (кратко – «Практикум»).

ГОС и современная концепция физического образования определяют метод познания как высший уровень усвоения экспериментальных умений. Более того, в ГОС второго поколения ставится задача научить школьников самим определять цель исследования.

Исследование технологии проверки уровня сформированности экспериментальных умений, проведённое в Раменском районе и г. Подольске, показало, что выполнить исследование без подробной пошаговой инструкции могут 40% выпускников профильных и углублённых классов, – для них достаточно указать цель исследования и дать краткую (свёрнутую) инструкцию. Учитывая, что, по итогам того же исследования, 10% учащихся могут самостоятельно определить цель экспериментального исследования, в проекте «Практикум» предложен двухуровневый подход к экспериментальным исследованиям. На первом уровне работа выполняется по подробному пошаговому описанию (часть А инструкции); переходя на второй уровень, ученик может сам выбрать, как работать дальше с использованием оборудования, указанного в части А: либо определив самостоятельно проблему и цель дальнейшего исследования с учётом результатов работы на первом уровне (часть В1), либо выполнив задание по свёрнутой инструкции (часть В2) (подробнее см. статью Андреевой Н.В.).

Деятельностный характер стандарта и современной концепции физического образования определяет разнообразие видов заданий лабораторного практикума: экспериментальные задачи, проверка гипотез, исследование эмпирических закономерностей, построение графиков, изучение технических объектов.

В авторских программах практикум представлен либо как совокупность итоговых по темам, либо как два итоговых по курсам 10-го и 11-го классов. Поэтому целесообразно итоговый контроль (соответственно тематический или годовой) проводить после практикума в форме контрольной работы, построенной в структуре

КИМов ЕГЭ и содержащей экспериментальное задание в части С (сборник Орлова В.А., Никифорова Г.Г. «Тематические и итоговые контрольные работы: тесты, задачи, эксперимент готовится к публикации издательством «Дрофа»). Ориентация практикума на ЕГЭ играет важную роль. Во-первых, это способ обобщения, позволяющий преодолеть существенный недостаток в знаниях и умениях, который проявляется в результатах ЕГЭ: ученики, как правило, усваивают общие идеи, принципы, законы на том же уровне, что и частные правила и закономерности. Во-вторых, это возможность компенсировать ряд традиционных пробелов в знаниях выпускников. Например, одна из причин низкого уровня усвоения волновых свойств света кроется именно в недостаточной экспериментальной поддержке этого раздела. В-третьих, многие методы измерений связаны с решением задач, по уровню сложности адекватных заданиям части С.

4. Все указанные позиции учтены в подходах к формированию оборудования.

• Оборудование для практикума представлено в виде четырёх тематических комплектов: по механике (рис. а – блок «Движение тел»; рис. б – блок «Статика»; рис. в – блок «Колебания и волны»), по молекулярной физике (рис. г), по электродинамике (рис. д), по оптике и квантовой физике (рис. е), – и позволяет организовать выполнение перечисленных ниже групп работ. Впервые в практикум включены практические работы по астрофизике с использованием данных астрономических наблюдений и фотографий.

КОМПЛЕКТ ПО МЕХАНИКЕ

Блок «Движение тел»

Кинематика: Исследование кинематических закономерностей x(t), υ(t). • Изучение различных видов движения. • Движение тела, брошенного горизонтально (прямое и косвенное измерение скорости υ₀).

Динамика: Движение тел под действием силы трения. • Движение по наклонной плоскости. • Движение системы связанных тел.

Законы сохранения: Движение тел под действием силы упругости и силы тяжести. • Изменение энергии под действием силы трения. • Оценка импульса и энергии по тормозному пути.

Вращательное движение твёрдого тела: • Скатывание тел с различными моментами инерции с наклонной плоскости. • Закон сохранения механической энергии с учётом энергии вращения. • Основной закон динамики вращательного движения.

Блок «Статика»: Условия равновесия тел: кронштейны, блоки и их системы. • Преобразование моментов. • Применение законов статики: исследование модели подъёмного крана.

Блок «Колебания и волны»: Исследование свободных и вынужденных колебаний. Резонанс. • Измерение скорости звука различными способами.

КОМПЛЕКТ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКЕ

Изучение броуновского движения. Оценка постоянной Авогадро. • Исследование уравнения состояния и его следствий: газовые законы, определение абсолютного нуля. • Исследование свойств твёрдых тел: диаграмма растяжения проволоки, измерение модуля Юнга, моделирование плотных упаковок. • Термодинамика: сравнение удельных теплоёмкостей жидкостей, измерение отношения С_р/С_V.

КОМПЛЕКТ ПО ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ

Измерение ёмкости конденсатора. • Зарядка и разрядка конденсаторов. • Исследование вольт-амперных характеристик. • Цепи постоянного тока. • Измерение индукции магнитного поля. • Изучение вакуумного диода и триода. • Цепи переменного тока. • Исследование трансформатора и выпрямителя. Подключение катушки к источнику постоянного напряжения.

КОМПЛЕКТ ПО ОПТИКЕ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ

Исследование линз и их систем. • Измерение длин волн разного диапазона видимой части спектра. • Наблюдение дифракции на одной и двух щелях и оценка длины световой волны. • Измерение радиоактивного фона и работа с дозиметром.

Такой подход позволяет продолжить тематический характер фронтальных наборов серии «L-микро», способствует формированию общеучебных умений по отбору оборудования в соответствии с целью работы и при этом помогает ученику сформулировать самостоятельно цель и проблему исследования.

При формировании тематических комплектов учитывались два уровня изучения физики – профильный и углублённый. Так, в комплект по молекулярной физике входит набор для изучения броуновского движения. С его помощью при профильном уровне исследуется закон Эйнштейна–Смолуховского в виде (см. статью Царькова И.С. в № 16/2008), при углублённом – оценивается постоянная Авогадро. Состав этого набора имеет двойное назначение: микроскоп используется при демонстрации броуновского движения на уроках, а также для съёмок видеофрагмента с компакт-диска, который входит в комплект по молекулярной физике для практикума.

Чтобы обеспечить любой способ организации практикума, рекомендуемых в авторских программах – по итогам либо темы, либо года, – комплекты разделены на блоки. Например, комплект по механике разделён на три блока («Движение тел», «Статика», «Колебания и волны», см. рис. а–в), что позволяет провести практикум по всем темам курса механики и п итогам года (в сочетании с другими комплектами в 10-м и 11-м классах). При этом в блоке «Движение тел» имеется оборудование, полностью обеспечивающее экспериментальное исследование закона динамики вращательного движения твёрдого тела.

Блочно-тематическая структура оборудования полностью обеспечивает проведение практикума и в типовом кабинете физики (см. статью), и в типовом кабинете в комплексе со специальной лабораторией (см. статью). Комплекты удобны и для проведения практикума в сельских школах при сетевой технологии его организации: практикум проводится в базовой школе, куда приезжают ученики окружающих сельских школ. Сетевая технология организации практикума была апробирована в Никоновской школе Раменского р-на учителями физики Можаевой Т.Н. и Образцовой Н.И.

• Принципиальное значение имеет выбор правильного соотношения между аналоговыми, цифровыми и компьютерными средствами измерения – ни от одной из этих компонент нельзя отказываться. Так, в набор по статике (см. рис. б) в качестве измерителя сил включены и аналоговый, и цифровой динамометры. Цифровой динамометр хорош для экспериментов с равновесием тел, когда справед лива модель абсолютно твёрдого тела, поскольку при измерении силы смещение активного элемента пренебрежимо мало. При конструировании ампер-весов с целью измерения индукции магнитного поля по движению проводника под действием силы Ампера предусмотрено, наоборот, измерение силы по уравновешиванию её гирями. Аналоговый способ измерения позволяет ученикам лишний раз удостовериться в справедливости основной идеи механики: сила – причина ускорения.

Второй пример: силу постоянного тока и напряжение на нагрузке выпрямителя измеряют аналоговыми амперметром и вольтметром, силу переменного тока в первичной катушке трансформатора – цифровым мультиметром (рис. ж), осциллограммы напряжений получают на компьютерном осциллографе (рис. з).

Цифровые средства измерения входят в каждый из тематических наборов. В механике это автоматически перестраиваемый секундомер (рис. и, точность измерения 0,001 с в интервале до 9,999 с, и 0,01 с – после 10 с).

В молекулярной физике это цифровые измерители давления и температуры (см. рис. г), микроскоп с цифровой камерой, электронные весы. В электродинамике, молекулярной физике и оптике – это цифровые мультиметры (рис. к): VC9808+ (для измерения силы и напряжения постоянного и переменного тока, его частоты, а также сопротивления резисторов и индуктивности катушек) и DТ-21 (для измерения громкости звука, температуры, освещённости, влажности), цифровой измеритель индукции магнитного поля. В оптике и квантовой физике – это дозиметр (см. рис. е).

Использование цифровых средств измерения обеспечивает прямые измерения практически всех изучаемых в школе физических величин, что принципиально изменяет характер работ практикума, позволяя учащимся проверить результаты косвенных измерений. Например, с помощью измерителя индукции постоянного магнитного поля ученики убеждаются в достоверности измерения индукции с помощью ампер-весов.

В каждый тематический набор входит мини-компьютер с необходимым программным обеспечением (рис. л).

Большинство исследований можно провести с использованием как цифровых средств измерений, так и мини-компьютера. Но есть и такие, которые можно провести только с компьютером. В механике это измерение скорости звука; в молекулярной физике – исследование броуновского движения; в электродинамике – осциллографирование; в оптике – спектральные исследования, в том числе исследование распределения энергии в спектре. Оптимальное сочетание всех средств измерений позволяет учащимся формировать адекватные представления об их роли в научных исследованиях, впервые ввести в практикум фундаментальные эксперименты, исследовать недоступные ранее в самостоятельном эксперименте явления, устранить противоречия между практикумом и системой проверки эквспериментальных умений при государственной аттестации выпускников в форме ЕГЭ.

5. Принципы выбора

Ранее уже формулировался один из принципов выбора. В соответствии с ним инструкция построена так, что ученик сам выбирает доступный ему вариант второго уровня экспериментального исследования. Учителю же предоставляется выбор, во-первых, уровня использования компьютерных средств измерения, а во-вторых, уровня тематического разнообразия.

Если учитель вообще отказывается от компьютерных средств измерения, из приобретаемых комплектов исключаются компьютеры. Можно сформировать практикум с одним компьютером в каждом тематическом комплекте и, наконец, с компьютером на каждом рабочем месте. В последнем случае, как показывает опыт подольской школы № 29, изменяются не только способы измерения, но и вся методика организации практикума (см. статью).

Каждый из тематических комплектов позволяет провести не менее трёх разных работ с каждым его блоком. Вместе с тем многие учителя предпочитают, чтобы все бригады (из двух учащихся каждая) проводили одинаковые исследования. Тогда школа должна приобрести по три тематических комплекта – всего 12. При этом учитель физики получает возможность использовать оборудование практикума и во внеурочной работе, в частности, в проектной деятельности.

 

Геннадий Григорьевич Никифоров окончил физфак МГПИ им. Ленина в 1965 г., три года работал учителем физики в г. Кандалакше Мурманской обл., затем преподавал физику в московских школах, педагогический стаж 30 лет. Ныне – ведущий научный сотрудник лаборатории физического образования ИСМО РАО, к.п.н., отличник народного образования, соавтор учебников по физике нового поколения «Физика в собственных исследованиях» для 7–11-го классов под ред. Разумовского В.Г., Орлова В.А., специалист по учебному физическому эксперименту, награждён двумя золотыми медалями ВВЦ за разработку учебной техники. Научный редактор монографий «Учебное оборудование для кабинетов физики всех типов общеобразовательных учреждений» и «Современный кабинет физики» («Дрофа», 2005, 2009). Член предметной комиссии ЕГЭ по физике, руководитель педагогического эксперимента по технологии проверки экспериментальных умений при государственной аттестации.

---

^* См. соответствующие статьи в этом номере газеты.