Учебные занятия

Развитие исследовательских умений учащихся при проведении физического практикума с комбинированием реального и виртуального экспериментов

Согласно национальной доктрине образования основной нашей задачей является всестороннее развитие детей, их творческих способностей, формирование навыков самообразования. Важной частью эффективного образовательного процесса является физический эксперимент и присущий ему исследовательский метод изучения физики. Этот метод более всего связан с методами научного исследования и должен применяться учеником при выполнении учебных заданий, требующих самостоятельных действий на всех этапах познавательной деятельности (от сбора фактов и их анализа до проверки правильности решения учебной проблемы) [1].

Объектом наших исследований стали занятия физического практикума в общеобразовательной школе, одного из важных видов учебного эксперимента, способствующего углублению, обобщению и систематизации знаний. Именно здесь предоставляется больше возможности для творческой самостоятельности и организации исследовательской деятельности. Мы предлагаем модель учебного занятия физического практикума в общеобразовательной школе с комбинированием реального и виртуального (компьютерного) экспериментов. Чтобы обеспечить такую комбинацию, мы создали специальный класс – кабинет физики, – где часть столов предназначена для проведения натурного, а часть – для виртуального эксперимента (см. схему).

Рис. 1. Схема и общий вид кабинета физики: 1 – стол для виртуального эксперимента; 2 – стул; 3 – ЖК-экран; 4 – демонстрационный стол; 5 – стол для натурного эксперимента; 6 – источник питания (от 5 до 36 В) и провода; 7 – розетки; 8 – окно c жалюзи; 9 – портреты выдающихся физиков; 10 – таблицы (основные физические постоянные, множители для образования десятичных дольных и кратных единиц, массы некоторых изотопов, инструкция по ТБ); 11 – раковина; 12 – доска, экран и светильники; 13 – средства ТБ; 14 – дверь

Выполнение натурного и виртуального физического эксперимента в одном и том же кабинете

В дополнение к традиционной методике проведения занятий физического практикума мы предлагаем включить ещё подготовительный этап для изучения возможных методов достижения цели по данной теме. Это стимулирует детей к изучению более широкого круга физических явлений, законов, реальных и виртуальных экспериментальных установок, при этом акцент переносится на процесс исследования, повышается уровень самостоятельности ученика, развиваются его творческие способности.

Для реализации на практике данной модели мы создали кабинет физики, где можно выполнять и реальный [2–5], и компьютерный [6, 7] эксперименты. Чтобы получить допуск к работам, учащиеся пользуются обучающими программами [8–12].

Для примера покажем, как работает наша модель при изучении закона Ома для участка цепи.

I. Тест-допуск [12].

1. Каким образом выбирают направление тока в электрической цепи?

2. Что такое цена деления прибора? Как её можно увеличить?

3. На каком из рисунков электроизмерительный прибор для измерения силы тока подключён правильно?

4. Амперметры 1 и 2 показывают силу тока 2А, определите показания амперметра 3.

5. На каком из рисунков электроизмерительный прибор для измерения напряжения на резисторе подключён правильно?

II. Виртуальный эксперимент

Из различных модификаций эксперимента, предложенных в [6, 7], учащиеся должны выбрать наиболее подходящий для наших конкретных условий вариант.

III. Реальный эксперимент с использованием приборов [13]

Вариант 1. Расширение предела измерения амперметра

Цели: научиться использовать амперметр для измерения большей силы тока, чем указанный предел измерения; вычислить коэффициент расширения предела измерения.

Оборудование: макетная плата; амперметр лабораторный; лампа МН 6,3 В × 0,3 А (3 шт.); шунт известного сопротивления 0,01...0,03 Ом; шунт неизвестного сопротивления (медный провод диаметром 0,1–0,3 мм длинной 10–20 см); источник питания на 4–6 В; соединительные провода.

Теория. Выполним схему включения амперметра в цепь и введём обозначения: I – полная сила тока в цепи, I_а – сила тока через амперметр, I_ш – сила тока через шунт, U_а – напряжение на амперметре, U_ш – напряжение на шунте, R_а – сопротивление амперметра, R_ш – сопротивление шунта.

Для параллельного соединения проводников можно записать:

Ход работы

Найдите коэффициент расширения предела измерения амперметра. Результаты опытов и вычислений занесите в табл. 1.

1. Соберите электрическую цепь по рис. а и измерьте силу тока I в цепи.

2. Подключите параллельно амперметру шунт известного сопротивления (рис. б) и измерьте показание амперметра I_а – силу тока, протекающего теперь через прибор.

3. Определите, во сколько раз увеличился предел измерения амперметра: n = I / I_а.

4. Опыт повторите ещё два раза при различных силах тока I и I_а, изменив нагрузку: включите вместо одной лампы сначала две, соединённые параллельно, а затем – две, соединённые последовательно.

Таблица 1

№ опыта	I, A	Iа, A	n	ncp
1
2
3

5. По результатам трёх опытов вычислите среднее значение коэффициента расширения предела измерения амперметра n_cp.

Вариант 2. Расширение предела измерения вольтметра (Выполняется аналогично, см. [13], составляется табл. 2.)

IV. Подведение итогов работы

Оценивается вид деятельности ученика, оценка вносится в табл. 2:

Таблица 2

Самооценка учащегося	Тест-допуск	Реальный эксперимент	Виртуальный эксперимент	Итоговая оценка
Подпись проверяющего

Итоговая оценка выставляется в журнал.

В связи с известными трудностями оснащения учебных лабораторий современным (обычно достаточно дорогостоящим) оборудованием и измерительными приборами сейчас нередко заменяют реальный физический эксперимент компьютерным моделированием, что, конечно, значительно экономит и средства, и время наблюдения [17]. Мы, однако, придерживаемся убеждения, что подобные тенденции крайне нежелательны, даже опасны, и основу лабораторных работ должны составлять эксперименты с реальными физическими приборами в комбинации с виртуальным экспериментом. надлежащее использование компьютерных технологий весьма полезно и открывает совершенно новые возможности.

Литература

1. Махмутов М.И. Проблемное обучение. Основные вопросы теории. – М.: Педагогика, 1975.
2. Оптика. Руководство по выполнению лабораторных работ. – М.: МГИУ, 2006, с. 18–19. Измерение длины световой волны.
3. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. ООУ: Изд. 11. – М.: Просвещение, 2003, с. 329–330. Измерение длины световой волны.
4. Глазунов А.Т., Кабардин О.Ф., Малинин А.Н. и др. Физика: Учеб. для 11 кл. шк. и кл. с угл. изучением физики: Под ред. А.А.Пинского: 8-е изд. – М.: Просвещение, 2003, с. 408–409. Оценка длины световой волны по наблюдению дифракции от щели.
5. Каменецкий С.Е., Степанов С.В., Петрова Е.Б. и др. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений: Под ред. С.Е.Каменецкого и С.В.Степанова. – М.: Академия, 2002, с. 259–260. Демонстрация дифракции света на тонкой нити.
6. Открытая физика, ч. 2. – г. Долгопрудный: Компания «Физикон», 2202. Гл. 3, модели 3.10, 3.11, 3.14.
7. УМК «Физика», ч. 2. КГТУ–МГИЭМ, 2005. Лабораторные работы № 1 и № 2.
8. 1С: Репетитор. Физика-10, 11 (1С–Физикон). Компакт-диск, 2003.
9. Библиотека наглядных аудиовизуальных пособий для средней школы Кирилла и Мефодия. Физика. 7–11 классы. Компакт-диск, 2006.
10. Живая физика. – М.: ИНТ. Компакт-диск, ч. 1, 2, 2004.
11. Физика в тестах, решениях и демонстрациях для школьников и абитуриентов (Интос). Компакт-диск.
12. Кодикова Е.С. Сборник вопросов и задач по физике за курс средней школы (уровень А): Учебное пособие. – М., 2003.
13. Головин П.П. Фронтальные лабораторные работы и практикум по электродинамике: экспериментальные задания по электродинамике. – Ульяновск: Корпорация технологий продвижения, 2005.
14. Степанов Н.С., Казарин П.В., Услугин Н.Ф. Об использовании компьютерных технологий в демонстрационном физическом эксперименте. – Н.Новгород:Вестник ННГУ им. Н.И.Лобачевского, 2005.

Об авторе

Эльмира Абузаровна Зайнуллина – преподаватель кафедры физики филиала Уфимского государственного авиационного технического университета в г. Нефтекамске, учитель физики высшей квалификационной категории, отличник образования Республики Башкортостан.