Образовательные ресурсы

Диагностика учебных достижений по физике. Особенности подготовки учащихся к ЕГЭ и ГИА

Продолжение. См. № 17, 18, 19, 20/2009

Лекция 5. Диагностика экспериментальных умений

1. Общие подходы к диагностике экспериментальных умений

Основой для отбора проверяемых экспериментальных умений и определения уровня их сформированности является раздел ГОС «Метод естественно-научного познания», а также требования к уровню подготовки выпускников основной и средней школы [1]. Теоретический компонент метода познания включает в себя общие методологические представления, например, о роли эксперимента как критерии истины, смысле понятий закон, гипотеза и т.п. Экспериментальный компонент содержит как общие умения (построение графиков и т.д.), так и знание некоторых способов измерения.

До реформ образования требовалось лишь вербальное выражение так называемых методологических знаний и формирование лишь практических умений без обобщения до представлений о методах. Сейчас учебный эксперимент – не только средство, но и объект изучения, а физическая теория – компонент метода познания. Следовательно, освоение метода естественно-научного познания и его применение к конкретному эксперименту – одна из важнейших целей физического образования. ГОС требует формирования (а следовательно, и диагностики) общеучебных и частных экспериментальных умений, см. таблицу (с пропущенными в перечислении конкретными тематическими элементами можно ознакомиться в тексте ГОС [1]). Любое из этих умений многосторонне, причём каждая сторона диагностируется своими заданиями. Задания для диагностики можно разделить на теоретические, практико-ориентированные и лабораторные (выполняемые на реальном оборудовании).

Требования ГОС к умениям выпускников основной и средней школы

Основная школа	Средняя школа
	Базовый уровень	Профильный уровень
Выпускники основной школы должны: • использовать физические приборы и измерительные инструменты для измерения физических величин: расстояния, промежутка времени <…> работы и мощности электрического тока; • представлять результаты измерений с помощью таблиц, графиков и выявлять на этой основе эмпирические зависимости: пути от времени <…> угла преломления от угла падения света.	Выпускники средней школы на базовом уровне должны: • отличать гипотезы от научных теорий; • делать выводы на основе экспериментальных данных; • приводить примеры, показывающие, что: – наблюдения и эксперимент являются основой для выдвижения гипотез и теорий, позволяют проверить истинность теоретических выводов; – физическая теория даёт возможность объяснять известные явления природы и научные факты, предсказывать ещё неизвестные явления.	Выпускники средней школы на  профильном уровне должны: • измерять: скорость, ускорение свободного падения <…> длину световой волны; • представлять результаты измерений с учётом их погрешностей; • выдвигать на основе наблюдений и измерений гипотезы о связи физических величин; • планировать и проводить исследования по проверке этих гипотез.

 

Теоретические задания с выбором ответа направлены на диагностику умений, связанных с отдельными элементами научного метода познания:

• Различать использование различных методов изучения физических объектов (наблюдение, эксперимент, измерение, описание, моделирование, гипотеза).

Пример 1. Исследуя зависимость напряжения на полюсах источника от силы тока, ученик получил результаты, представленные на рисунке. Исследование позволяет выдвинуть обоснованную гипотезу:

1) о линейной зависимости напряжения от силы тока;^*

2) об обратной зависимости между силой тока и напряжением;

3) о прямой пропорциональности между напряжением и силой тока;

4) о том, что напряжение обратно пропорционально силе тока.

Пример 2. Учитель предложил ученикам воспользоваться амперметром, вольтметром, реостатом и проверить экспериментально следующее его предположение относительно имеющегося источника тока: «Всякий источник тока имеет внутреннее сопротивление r. Следовательно, если с помощью реостата увеличивать силу тока I в цепи, то в соответствии с законом Ома U = rI напряжение на полюсах источника должно увеличиваться».

• Приводить (выбирать) примеры, иллюстрирующие роль теории в объяснении явлений природы и предсказании неизвестных явлений.
• Различать (выделять) цели проведения (гипотезу) описанного опыта или наблюдения, порядок проведения и делать выводы.

Пример 3. Проводились опыты по исследованию явления фотоэффекта. В одной из серии опытов при постоянном напряжении батареи увеличивали интенсивность света, падающего на один из электродов, и определяли изменение силы тока в цепи. При этом проверялось:

1) как зависит количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла, от силы тока в цепи;

2) как зависит количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла, от энергии световой волны;

3) как зависит ток насыщения от запирающего напряжения;

4) как зависит максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов от частоты света.

• Предлагать (выбирать) порядок проведения опыта или наблюдения в зависимости от поставленной цели.

Пример 4. Проволочная катушка с током создаёт магнитное поле. Была выдвинута гипотеза, что магнитный поток через поперечное сечение катушки зависит от её длины и диаметра. Необходимо экспериментально проверить эту гипотезу. Какие два набора катушек нужно взять для такого исследования?

1) А и Б; 2) Б и В; 3) Б и Г; 4) В и Г.

• Выбирать измерительные приборы и оборудование (по рисункам и фотографиям) для проведения исследования. Знать назначение и схематическое обозначение прибора и правильно составлять схемы его включения в экспериментальную установку.

Пример 5. Атмосферное давление можно измерять при помощи:

1) психрометра; 2) гигрометра; 3) барометра; 4) манометра.

Пример 6. Ученик собрал электрическую цепь. Приборы, изображённые на фотографии справа, служат:

1) 1 – для измерения силы тока,

2 – для измерения напряжения;

2) 1 – для измерения напряжения;

2 – для измерения силы тока,

3) 1 – для измерения напряжения,

2 – для измерения ЭДС;

4) 1 – для измерения силы тока,

2 – для измерения сопротивления.

• Определять цену деления, пределы измерения и абсолютную погрешность измерения прибора. Записывать показания приборов с учётом абсолютной погрешности измерения.

Пример 7. При измерении объёма тела его погрузили в мензурку (см. рисунок). Погрешность измерения объёма при помощи данной мензурки равна её цене деления. Какая запись для объёма тела наиболее правильная?

1) 16 мл ± 1 мл; 2) 46 мл ± 2 мл;

3) 46 мл ± 1 мл; 4) 16 мл ± 2 мл.

• Сопоставлять результаты исследований, приведённые в виде словесного описания, таблицы или графика (переводить имеющиеся данные из одной формы описания в другую), оценивать соответствие выводов имеющимся экспериментальным данным.
• Делать выводы, анализировать, объяснять результаты опытов и наблюдений на основе известных физических явлений, законов, теорий.

Пример 8. На рисунке приведён график зависимости силы тока, протекающего через прибор, от приложенного напряжения. Из графика следует, что:

1) ток в цепи не подчиняется закону Ома;

2) ток в цепи прибора подчиняется закону Ома только при сопротивлении менее 0,1 Ом;

3) закон Ома выполняется при всех значениях напряжения;

4) сопротивление прибора R = 0,1 Ом.

Практико-ориентированные задания направлены на диагностику умений анализировать электрические цепи (измерительных установок), строить модели в виде рисунков цепей и оптических схем, понимать способы использования измерительных приборов [2].

Пример 9. Ученик собрал электрическую цепь, представленную на фотографии. Каково внутреннее сопротивление батарейки, если её ЭДС равна 4,5 В?

Это задание невозможно выполнить, имея только теоретические знания о законе Ома: необходимо понимать, как собирается электрическая цепь, и уметь снимать показания электроизмерительных приборов.

Лабораторные задания направлены на диагностику сформированности конкретных практических и общеучебных умений, уровня освоения метода познания в целом.

Пример 10. В вашем распоряжении имеются источник тока, амперметр, два резистора известных сопротивлений, провода и выключатель. Пользуясь этим оборудованием, измерьте ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

2. Типология экспериментальных заданий на реальном оборудовании школьного кабинета

Только теоретическими и даже практико-ориентированными тестовыми заданиями нельзя оценить умения владеть всей процедурой проведения хотя бы элементарных исследований. Для полноценной проверки экспериментальных умений следует организовать процедуру выполнения диагностических заданий на реальном оборудовании.

Специалистами ФИПИ проведён ряд исследований, в которых рассматривались научно-методические и материально-технические аспекты технологии проверки экспериментальных умений. Технологическая часть исследования проводилась совместно с комитетами по образованию Раменского и Подольского муниципальных районов Московской области. Результатом этих работ стало введение экспериментальных заданий на реальном оборудовании в варианты ГИА, а также предложения по проверке экспериментальных умений в рамках ЕГЭ по физике.

В КИМы ГИА постепенно вводятся четыре типа экспериментальных заданий:

1. Проведение прямых измерений физических величин и расчёт по полученным данным зависимого от них параметра (косвенные измерения).
2. Исследование зависимости одной физической величины от другой и построение графика полученной зависимости.
3. Проверка заданных предположений (прямые измерения физических величин и сравнение заданных соотношений между ними).
4. Наблюдение явлений и постановка опытов (на качественном уровне) по выявлению факторов, влияющих на протекание опыта.

Так как ГИА в тестовой форме имеет статус муниципального экзамена и проводится в кабинетах физики, то проверить экспериментальные умения можно непосредственно в рамках аттестационного экзамена. Для ЕГЭ такой путь в силу организационных сложностей неприменим. Поэтому было предложено проводить проверку экспериментальных умений в рамках специально организованной процедуры на базе муниципальных диагностических центров (МДЦ) муниципальными предметными комиссиями, которые формируются муниципальными органами образования по согласованию с региональными Министерствами образования и являются частью региональных предметных комиссий [3].

Для научно-методического обеспечения таких проверок создан и апробирован специальный набор тематических комплектов лабораторного оборудования «ЕГЭ-лаборатория». Муниципальный диагностический центр, сформированный на базе типового кабинета физики, должен быть обеспечен 16 комплексными наборами «ЕГЭ-лаборатория» (по механике, молекулярной физике, электродинамике и оптике) [4]. Каждый из этих наборов состоит из двух частей. Главная часть – базовая. Она даёт название набору и обеспечивает конструирование заданий высокого уровня по соответствующему разделу. Вторая часть – мини-набор, в который входит оборудование по всем другим разделам, кроме базового. Мини-набор обеспечивает конструирование заданий базового и повышенного уровней. На фотографии показан комплексный набор по электродинамике, который позволяет конструировать задания высокого уровня по этому разделу. Мини-набор расположен в крышке кейса и содержит оборудование по механике, молекулярной физике и оптике.

Каждый вариант экзаменационной работы состоит из четырёх заданий разного уровня сложности (С1 – базового, С2, С3 – повышенного и С4 – высокого), охватывающих в совокупности все указанные разделы школьного курса физики (механику, молекулярную физику, электродинамику и оптику). На каждое задание необходимо дать развёрнутый ответ, опираясь на проделанные эксперименты.

Формулировки заданий конструируются исходя из необходимости проверки следующих видов деятельности: • формулировать цель проведения (выдвигать гипотезы) опыта или наблюдения • определять порядок проведения опыта или наблюдения в зависимости от поставленной цели • выбирать измерительные приборы и оптимальный набор оборудования в зависимости от поставленной цели исследования, собирать экспериментальную установку • проводить прямые измерения физических величин и записывать результаты с учётом абсолютной погрешности измерений • оценивать (в простейших случаях) погрешности косвенных измерений (с учётом имеющихся формул в справочных данных) и в соответствии с указаниями • представлять результаты исследования в виде таблицы (с учётом абсолютной погрешности измерений) • представлять результаты исследования в виде графика (с учётом абсолютной погрешности измерений) • делать выводы на основе полученных в опыте или при наблюдении результатов • объяснять полученные результаты на основе известных физических явлений, законов, теорий • выполнять расчёты с учётом приближённого характера исходных данных. Задания формируются так, чтобы получилось как можно больше видов деятельности: прямые и косвенные измерения физических величин; сравнение рассчитанных числовых значений физических величин с результатами их измерений; наблюдение и объяснение явлений; проверка статуса предложенных гипотез; построение графика эмпирической зависимости одной физической величины от другой; проведение исследования по проверке зависимостей между физическими величинами.

На выполнение всей экзаменационной работы отводится 120 мин. В экзаменационном варианте приводятся все необходимые справочные данные, в том числе погрешности измерений всех приборов, включённых в «ЕГЭ-лабораторию». В тексте каждого задания указываются требования к оформлению ответов.

Задание С1 – базового уровня, на проведение прямого измерения физической величины. При составлении отчёта требуется указать приборы, которые были выбраны для проведения измерений, пределы измерения этих приборов, цену деления каждого. Результаты измерений должны быть записаны в виде:

х_измер – Δх ≤ х ≤ х_измер + Δх,

где х_измер – результат измерения, Δх – погрешность измерения.

При оценке погрешности прямых измерений следует воспользоваться таблицей погрешностей средств измерений и формулами для расчёта относительных погрешностей, приведённых во вводной части к работе. Если учащийся собирал электрическую цепь или установку, без которых нельзя обойтись, то он должен сделать соответствующий рисунок и пояснить его. Также следует записать соотношения, использованные при расчётах косвенных измерений, с пояснением всех физических величин, входящих в приведённые формулы.

Пример 11. Измерение веса тела. Измерьте вес металлического цилиндра в воде.

Задание С2 – повышенного уровня, на проведение косвенных измерений. После проведения прямых измерений требуется рассчитать физическую величину с указанием используемого закона, определительной формулы и соотношения, а также рассчитать относительную погрешность.

Пример 12. Измерение сопротивления. Начертите схему электрической цепи для измерения сопротивления резистора. Соберите цепь, проведите необходимые измерения и рассчитайте сопротивление одного из резисторов.

Пример выполнения задания приведён на рис. 1.

Задание С3 – повышенного уровня, экспериментальная задача. При его выполнении необходимо подтвердить совпадение (с учётом погрешностей) результатов расчёта физической величины с результатами её измерения. При составлении отчёта о выполнении задания экзаменуемый должен записать результаты измерений в таком же виде, как и при проведении измерений: хизмер – х_измер – Δх ≤ х ≤ х_измер + Δх, – и проверить, оказалась ли рассчитанная величина в этом интервале.

Пример 13. Исследование линз. Поставьте лампочку на расстоянии d₁ = 15 см от линзы и подберите такое расстояние f₁ от линзы до экрана, чтобы на нём получилось по возможности резкое и чёткое изображение спирали. На основе результатов этого опыта рассчитайте, на каком расстоянии f₂ надо поставить экран, чтобы на нём получилось также резкое изображение, если лампочка установлена на расстоянии d₂ = 25 см от линзы. Проверьте на опыте результаты расчётов и сделайте выводы.

Задание С4 – высокого уровня, экспериментальное исследование, которое требует проведения прямых и косвенных измерений, а также сравнения результатов измерения с выполненными расчётами.

Выполнение исследования должно включать законы и формулы, применение которых необходимо и достаточно для его проведения, а также математические преобразования, расчёты и (при необходимости) рисунок, поясняющий способ проведения исследования.

При выполнении задания С4 часто необходимо построить график. Координаты точек, по которым строится график, получают по результатам прямых измерений, погрешности которых связаны с ценой деления используемых приборов. Поэтому при построении графиков следует выбирать масштаб по осям в соответствии со шкалой измерительных приборов, которые использовались при измерении.

Пример 14. Исследование деформации резины. Найдите в комплекте оборудования прибор для исследования деформации резины и динамометр, спланируйте эксперимент по исследованию зависимости ∆l от F, постройте график этой зависимости. Воспользовавшись этим графиком, определите с точностью до 0,1 Н и 1 мм пределы, в которых выполняется закон Гука. Рассчитайте работу, которую совершает сила упругости резины при её увеличении от 0 до 1 Н.

Пример выполнения этого задания приведён на рис. 2.

4. Критерии оценки экспериментальных заданий при экспертном оценивании работ

В рамках упоминаемого выше исследования обосновано предположение о возможности оценки экспериментальной работы на основании анализа представленного отчёта и зафиксированного в нём результата измерения как интегральной характеристики сформированности практических умений.

Проверка и оценка выполнения экспериментальных работ проводится экспертами по аналогии с проверкой части С «бумажного» ЕГЭ. Результат выполнения экспериментального задания оценивают по двум компонентам: 1) практические умения, уровень освоения которых проявляется в числовых значениях измеряемых величин; 2) совокупность знаний и теоретических умений.

Выполнение практического компонента эксперт проверяет по критерию принадлежности результата измерений к интервалу достоверных значений [5] – интервалу, согласно теории погрешностей, включающему с вероятностью, близкой к 1, результат измерения однозначно заданных объектов или параметров с использованием однозначно регламентируемых средств измерения и ограниченного число методов и способов измерения, и делает вывод о сформированности совокупности экспериментальных умений. Критерий достаточности означает возможность принятия одного из двух решений: система умений сформирована – не сформирована. Критерий принадлежности имеет определённые границы применимости, т.к. не позволяет распознать, какие именно несформированные умения привели к тому, что результат измерений оказался за границами интервала достоверных значений.

Например, достоверен ли результат измерения сопротивления резистора, представленный на рис. 1? Сравним интервал значений, полученный учеником, и интервал достоверных значений сопротивления. Для получения первого интервала можно воспользоваться оценкой относительной погрешности измерения, которую верно выполнил ученик (он лишь неверно обозначил её). Тогда граница абсолютной погрешности равна 0,7 Ом. Интервал полученных значений имеет вид: 8,5 Ом ≤ R ≤ 9,9 Ом. Номинальное значение сопротивления резистора 10 Ом по гарантии изготовителя имеет погрешность 5%. Другими словами, действительное значение сопротивления находится в интервале: 9,5 Ом ≤ R_д ≤ 10,5 Ом. Мы видим, что два интервала перекрываются. Следовательно, ученик владеет всей совокупностью умений по измерению сопротивлений с использованием амперметра и вольтметра.

Рассмотрим возможные рассуждения эксперта, на основе которых он сделал заключение по уровню выполнения задания высокого уровня С4 (см. рис. 2):

– График выполнен на «миллиметровке»; масштаб по вертикали взят 1 : 1 и легко переводится в единицы СИ, «цена деления» по горизонтали совпадает с ценой деления измерительного прибора;

– Выполнение графика на миллиметровой бумаге позволяет найти площадь, просто определив число клеточек под графиком;

– При построении графика допущен лишь один недочёт: не включена точка с координатами [0; 0];

– Интерпретация результатов неверна – перепутана прямая пропорциональность у = kх с линейной зависимостью у = k х + b;

– Суть закона Гука F = k · δl – в пропорциональной зависимости силы от деформации. Закон не выполняется в пределах от 0 до 0,2 Н, и выполняется на участке от 0,6 Н до 1,4 Н;

– Вместо того, чтобы найти работу как площадь под кривой, ученик определил некоторую среднюю жёсткость, найдя частное 1 Н/0,08 м. Это число характеризует наклон графика в средней части, но не является жёсткостью.

Приведённые выше положения о проверке экспериментальных заданий используются при проверке экспериментальных заданий и в ГИА.

Пример 15. Используя источник тока (4,5 В), вольтметр, амперметр, ключ, реостат, соединительные провода, резистор, обозначенный R₁, соберите экспериментальную установку для определения работы электрического тока в резисторе. При помощи реостата установите в цепи силу тока 0,5 А. Определите работу электрического тока в резисторе в течение 5 мин.

В бланке ответов:

1) нарисуйте электрическую схему эксперимента;

2) запишите формулу для расчёта работы электрического тока;

3) укажите результаты измерения напряжения при силе тока 0,5 А;

4) запишите численное значение работы электрического тока.

Характеристика оборудования

При выполнении задания используется комплект оборудования № 5 в составе: источник тока (4,5 В); резистор (6 Ом), обозначенный R₁; реостат; амперметр (погрешность измерения 0,1 А); вольтметр (погрешность измерения 0,2 В); ключ и соединительные провода.

Внимание! При замене какого-либо элемента оборудования на аналогичное с другими характеристиками необходимо внести соответствующие изменения в образец выполнения задания.

Образец возможного выполнения

1) Схема экспериментальной установки.

2) А = U · I · t.

3) I = 0,5 А; U = 3,0 В; t = 5 мин = 300 с.

4) А =  450 Дж.

Указание экспертам. Оценка границ интервала, внутри которого может оказаться верный результат, рассчитывается методом границ. С учётом погрешности измерения I = 0,5 ± 0,1 А; U = 3,0 ± 0,2 В.

Так как А = U · R · t, то нижняя граница значений работы электрического тока НГ(А) = 2,8 В · 0,4 А · 300 с = 335 Дж; верхняя граница ВГ(А) = 3,2 В · 0,6 А · 300 с = 575 Дж.

Критерии оценивания

Содержание критерия	Балл
Полностью правильное выполнение задания, включающее: 1) электрическую схему эксперимента; 2) формулу для расчёта искомой величины (в данном случае – для работы электрического тока через время, напряжение и силу тока); 3) правильно записанные результаты прямых измерений (в данном случае – измерения электрического напряжения и силы тока) 4) полученное правильное численное значение искомой величины	4
Приведены все элементы правильного ответа 1– 4, но – допущена ошибка при вычислении значения искомой величины. ИЛИ – допущена ошибка при переводе одной из измеренных величин в СИ, что привело к ошибке при вычислении значения искомой величины. ИЛИ – допущена ошибка при обозначении единиц одной из измеренных величин. ИЛИ – допущена ошибка в схематичном рисунке экспериментальной установки, или рисунок не приведён вообще.	3
Сделан рисунок экспериментальной установки, правильно приведены значения прямых измерений величин, но не записана формула для расчёта искомой величины и не получен ответ. ИЛИ Правильно приведены значения прямых измерений величин, записана формула для расчёта искомой величины, но не получен ответ и не приведён рисунок экспериментальной установки. ИЛИ Правильно приведены значения прямых измерений, приведён правильный ответ, но отсутствуют рисунок экспериментальной установки и формула для расчёта искомой величины.	2
Записаны только правильные значения прямых измерений. ИЛИ Представлена только правильно записанная формула для расчёта искомой величины. ИЛИ Приведено правильное значение только одного из прямых измерений и сделан рисунок экспериментальной установки.	1
Все случаи выполнения, которые не соответствуют вышеуказанным  критериям  выставления 1, 2, 3 или 4 баллов. Разрозненные записи. Отсутствие попыток выполнения задания.	0

 

Многолетние итоги ЕГЭ и результаты исследования технологии проверки экспериментальных умений в Раменском районе и г. Подольске позволяют определить следующие направления совершенствования методики самостоятельного эксперимента:

– обучение проведению исследований;

– совершенствование методики формирования частных умений, в частности, умений построения графиков и оценки погрешностей;

– организация учебной деятельности, обеспечивающей получение представления об оценке погрешностей через обобщение собственной эмпирической деятельности. Обучение работе с калькуляторами: научным («FX-82ES») и графическим («FX-9860G») для построения графиков, оценки погрешностей и организации вычислений;

– включение в содержание лабораторных работ проверку гипотез и на определение (нахождение) границ применимости эмпирических законов.

Вопросы для самоконтроля

1. Какая классификация экспериментальных умений проводится в ГОС?
2. В чём сущность представления о методе естественно-научного познания?
3. Укажите виды заданий, используя которые можно диагностировать уровень освоения разных сторон экспериментальных умений.
4. Перечислите умения, уровень освоения которых можно проверить, используя практико-ориентированные задания.
5. Сформулируйте основные положения концепции комплексной проверки экспериментальных умений на основе отчёта ученика о выполнении исследования, увеличение числа работ, проводимых с использованием частично-поисковых и исследовательских приёмов, в частности, кратковременных лабораторных работ.

Литература

1. Сборник нормативных документов. Физика: Сост. Э.Д. Днепров, А.Г. Аркадьев: Изд. 2-е. – М.: Дрофа, 2006.
2. Никифоров Г.Г. Готовимся к единому государственному экзамену по физике. Экспериментальные задания. – М.: Школьная пресса, 2004.
3. Демидова М.Ю., Никифоров Г.Г. Проверка экспериментальных умений в рамках единого государственного экзамена по физике: Сб. статей к пятилетию ФИПИ: Под ред. А.Г. Ершова, Г.С. Ковалёвой. – М.: ЭКСМО, 2007.
4. Демидова М.Ю., Никифоров Г.Г., Поваляев О.А. ЕГЭ-лаборатория. Методическое руководство по работе с комплектом. – М: МГИУ, 2008.
5. Никифоров Г.Г. Погрешности измерений при выполнении лабораторных работ по физике. 7–11 кл. – М.: Дрофа, 2004, 2007.

Продолжение следует

---

^* Здесь и далее правильные ответы выделены полужирным шрифтом. – Ред.