Спецвыпуск

Реализация регионального компонента содержания школьного физического образования в Челябинской области

Региональный компонент физического образования в нашей области реализуется в двух направлениях:

– отражается специфика региона в содержании обучения физике в 7–11-м классах;

– во многих школах изучается разработанный нами пропедевтический курс физики для 5–6-го классов.

На сегодняшний день целостной концепции регионального компонента нет. Начнём изложение нашего решения проблемы в первом направлении.

В структуре предметов естественно-научного цикла выделяют два блока – основной (основы наук) и вспомогательный (комплекс вспомогательных знаний и способов учебной деятельности). Основы физики представляют собой отобранную и педагогически адаптированную (к возрасту обучаемых и целям обучения) систему знаний о важнейших фактах, понятиях, законах и теориях физики, о научных основах техники и физических методах познания природы. Они не имеют региональной специфики и отражены в федеральном компоненте содержания физического образования. Все элементы вспомогательного блока способствуют усвоению основного блока, через них можно отразить и особенности региона. Что именно включается в этот вспомогательный блок?

Знания из истории науки, раскрывающие эволюцию развития физических идей, этапы становления. Будучи органично связаны с основным предметным материалом, они всегда эмоционально окрашены и «очеловечивают» научные знания. Эти знания можно разделить на четыре группы: история становления ведущих физических теорий, идей, развития исследований в какой-либо области; великие открытия, исторические ключевые опыты (в том числе и фундаментальные); биографии великих учёных, их высказывания; история развития техники (водного транспорта, тепловых двигателей, аппаратов для подводных исследований и др.), применения физических знаний.

Вопросы прикладного характера, описывающие различные технологии, разъясняющие устройство и принцип действия приборов, технических устройств и т.п., способствуют осознанию роли науки в современном обществе как непосредственной производительной силы, а следовательно, и ценности физических знаний, положительно влияют на мотивацию учения, развитие творческого мышления. Здесь можно указать на конкретные технологии, применяемые на предприятиях региона, в сельском хозяйстве, медицине; показать характеристики продукции местных предприятий, особенности материалов, устройств и принцип действия приборов и технических устройств; рассмотреть местные проблемы энергетики, транспорта и связи.

Техника неизбежно связана с вопросами экологии, и их можно конкретизировать на примерах отдельных физических явлений и процессов, рассматривая конкретные экологические проблемы региона. При этом ученики должны осознать естественно-научное направление, связанное с сохранением окружающей среды, и технологическое, направленное на сохранение полноты обмена и круговорота веществ, потока энергии и информации. Усвоению идей несомненно будет способствовать информация о том, как местные предприятия решают проблемы сохранения окружающей среды.

Определив место регионального компонента в содержании школьного физического образования, мы можем сформулировать его дидактические функции:

• политехническое и экологическое образование;
• профессиональная ориентация и самоопределение;
• патриотическое воспитание школьников.

Поясним каждую из приведённых функций. В школьный курс физики включаются те знания, которые прошли проверку практикой. Прикладная направленность законов физики выражена в том, что они составляют научную основу техники. Содержание самих законов физики не имеет региональной принад-лежности. Промышленность же в каждом регионе своя. Поэтому региональный компонент содержания физического образования может отражать научные основы работы технических устройств, технологий, применяемых на производственных предприятиях региона. Кроме техники, достижения физики широко используются в современной медицине, сельском хозяйстве и других областях. Эти знания способствуют политехническому образованию учащихся.

Промышленная инфраструктура региона даёт богатую информацию о рабочих местах на производстве, о круге компетенций, необходимых для работы в той или иной области. Информированность в этой области благотворно может повлиять на профориентацию учащихся. Данная функция регионального компонента содержания физического образования на сегодняшний день нам представляется весьма значительной, ведь в условиях экономических преобразований даже студенты вузов зачастую не знают, куда они пойдут работать после окончания учёбы.

Немаловажной функцией считаем также патриотическое воспитание учащихся. Деидеологизация школы привела к негативным тенденциям. Изучение особенностей промышленности, достижений предприятий, исследований учёных, работающих в регионе, будет способствовать воспитанию чувства гордости за малую Родину.

Следующим шагом является отбор содержания отдельных элементов регионального компонента. Следует руководствоваться требованиями, вытекающими из общих принципов обучения: отобранный для изучения материал должен быть непо­средственно связан с изучаемыми понятиями и законами физики, способствовать их конкретизации; быть доступным и интересным для учащихся; способствовать усвоению способов различного вида деятельности (познавательной, практической, организационной, оценочной); отражать современное состояние промышленности региона и иметь разумный объём.

Отбор материала требует анализа инфраструктуры промышленности региона, выделения в нём наиболее значимых направлений, изучения технологий производства отдельных предприятий и т.д. Отобранный, адаптированный и дидактически переработанный материал следует издавать как приложения к основным учебникам физики в виде текстов, задач (в том числе оценочных) по разделам школьного курса, а также экспериментальных заданий и лабораторно-практических работ. Такой материал можно использовать как на уроках, так и на конференциях, семинарах, во время экскурсий. Особенно ценны творческие задания исследовательского характера, которые ученики выполняют индивидуально или в группах. Приведём примеры отобранного нами материала.

Из истории ядерной энергетики

В 1955 г. в Челябинской области был создан второй оружейный ядерный центр Советского Союза. Это обеспечивало ускорение работ по созданию ядерного оружия, давало возможность сохранить хотя бы один ядерный центр в случае войны, порождало здоровую конкуренцию разработок, что позволяло более объективно судить об уровне создаваемого ядерного оружия. На южном берегу живописного озера Синара был заложен новый город, в дальнейшем ставший известным как Челябинск-70, или Снежинск. В качестве исходной базы был выбран посёлок Сунгуль, расположенный в 20 км к северу от г. Озёрска (тогда Челябинск-40). Там находился химкомбинат «Маяк», производивший компоненты ядерных зарядов и имевший к тому моменту хорошо развитую строительную базу, которая и была использована для строительства нового города и института ВНИИТФ.

Первые производственные здания и жилые дома города начали сдаваться в эксплуатацию в 1957 г. В мае 1960 г. в городе уже проживали около 20 тыс. человек. В настоящее время население города составляет 55 тыс. человек, при этом в подразделениях института работают около 14 тыс. человек.

Удачным был выбор расположения института и в другом отношении. В Уральском регионе оказался сосредоточен ряд важнейших предприятий ядерной отрасли страны, что способствовало успешному сотрудничеству института с ними при решении задач основной программы и во многом помогает сегодня при осуществлении конверсионных программ.

Молодой коллектив института быстро набирал силу. Первый принятый на вооружение в Советском Союзе термоядерный заряд был разработан и испытан сотрудниками нового института в 1957 г. В институте успешно проводились фундаментальные исследования в области ядерной физики. (Можно рассмотреть вклад учёных Челябинской области в развитие отрасли, в первую очередь следует назвать И.В.Курчатова.)

В Снежинске развивались и прикладные направления исследований. Там были разработаны и реализованы проекты мирного промышленного использования ядерных взрывных устройств (ЯВУ). Институт до сих пор является единственной в мире организацией, разрабатывающей ЯВУ промышленного применения. Начиная с 1968 г. ЯВУ использовались для:

• глубинного сейсмозондирования земной коры для разведки полезных ископаемых;
• интенсификации добычи нефти и повышения коэффициента нефтеотдачи;
• интенсификации притока газа;
• создания подземных ёмкостей;
• перекрытия газовых фонтанов;
• захоронения в глубоких формациях биологически опасных промышленных стоков нефтехимических производств (опытно-промышленные работы);
• предупреждения внезапных выбросов угольной пыли и газа метана (опытно-промышленные работы).

Из истории металлургии цинка

Челябинский цинковый завод — крупнейший в России производитель металлического цинка. Завод производит 2% мирового и 60% российского объёмов цинка. Качество отливок удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым для проведения цинкования, изготовления сплавов и пигментов, и выставляется на Лондонской бирже цветных металлов.

(Технологии производства цинка можно весьма просто и доступно описать при изучении соответствующих тем: флотация для обогащения руды – условия плавания тел, электролиз – ток в растворах электролитов, да и электролиз цинка можно воспроизвести экспериментально. В рекламных проспектах ЧЦЗ приводятся характеристики его продукции: состав сплава, масса и размер выпускаемых чушек и слитков, – их можно использовать для составления задач по теме «Плотность вещества».)

Большое место в программе развития ЧЦЗ занимает экология, ведь предприятие расположено в черте города. Радиус санитарной зоны в Челябинске составляет 1 км, поэтому снижение уровня выбросов всегда было для завода задачей номер один. Раньше свинцовые кеки фильтровались на дисковых фильтрах, затем влажный материал с 30%-ным содержанием свинца сбрасывался в сушильный барабан. Здесь за счёт сгорания газа он подсушивался и по транспортёру перемещался на склад. Выбросы в окружающую среду были довольно высокими. Свинца, например, в атмо­сферу сбрасывалось в год более 4 т, а твёрдых составляющих – 44 т. Новая технология позволяет осуществлять фильтрование, исключая процесс сушки исходного материала. Таким образом, выбросов свинца в окружающую среду теперь нет вообще.

Большое внимание уделяется очистке сбрасываемых вод. Предприятие планирует со временем перейти на 100%-ный водооборот, практически перестав сбрасывать в реку Миасс отработанную воду и брать из реки новую (которая, кстати сказать, содержит массу ненужных для производства примесей).

Наш опыт показывает, что включение в ткань занятий по физике реальных данных о предприятиях, о которых ученики с детства слышат, а практически ничего конкретного не знают, вызывает нескрываемый интерес учащихся и заметно оживляет занятие.

Вторая особенность обучения физике в Челябинской области, как в начале уже было сказано, – изучение разработанного нами пропедевтического курса в 5–6-м классах. О концепции и особенностях методики обучения курсу мы уже подробно писали раньше (см. № 16/2006). Здесь мы расскажем о ещё одной традиции. С 1994 г. по инициативе академика А.В.Усовой в Челябинске проводятся областные олимпиады юных физиков, химиков и биологов. В них принимают участие ученики 5–8-го классах со всей области. Первые годы олимпиада проводилась исключительно по инициативе и на личные средства учёных, разрабатывающих и внедряющих в школы новую концепцию естественно-научного образования, основанную на опережающем изучении физики с 5-го класса и химии – с 6-го. Научно-педагогический эксперимент входил в план исследований РАО (научный руководитель – член РАО проф. А.В.Усова). Большую помощь в проведении олимпиад оказывали городские экспериментальные школы № 80 и № 102, на базе которых проводились олимпиады. Немаловажную роль играла и поддержка администраций школ области, направлявших своих учеников на олимпиаду. Позже инициатива учёных была поддержана МОиН Челябинской области, и олимпиада была включена в список традиционных олимпиад региона.

Олимпиада юных физиков традиционно проводится весной. Задания содержат качественные, расчётные, графические и экспериментальные задачи. Главные требования к задачам – посильность решения для учеников и оригинальность содержания. Иногда в содержание олимпиадных заданий включаются задачи, составленные самими учениками. В таких случаях обязательно указывается её автор. Приведём пример.

• Вакула пришёл к Пацюку, когда тот ел галушки. За полчаса до того Пацюк съел 45 галушек. Пока он разговаривал с Вакулой, он съел только 6 галушек, потому что было трудно есть и говорить одновременно. Разговор продолжался 10 минут. Потом к Пацюку пришёл дьяк и тоже начал есть галушки (за компанию). Тогда Пацюк решил, что если он будет есть быстрее, то дьяку достанется меньше галушек, и начал есть со скоростью 75 галушек за 30 мин. Дьяк «помогал» Пацюку 20 минут. Довольный и сытый дьяк ушёл, попрощавшись с Пацюком. У Пацюка первоначально было 190 галушек. Найдите среднюю скорость поедания Пацюком галушек и помогите сосчитать «убыток», который он понёс (в галушках).

Задача составлена ученицей 5-го кл. лицея № 11
Звёздочкиной Полиной.

Поскольку в опережающем курсе физики 5–6-го классов большое внимание уделяется опытам, проводимым дома и фронтально в классе, экспериментальные задачи (на доступных и простых приборах и материалах) на олимпиаде занимают особое место. Они бывают двух видов: измерительные и исследовательские. При решении задач первого вида ученики проводят измерения физических величин, которые невозможно сделать непосредственно. Им приходится самостоятельно придумывать методику измерений и проводить их. Жюри не ограничивает фантазию учеников в выборе методики. Основной критерий оценки качества решения таких задач – точность разработанной методики. Зачастую в измерительных задачах требуется проградуировать какой-либо прибор.

Приведём примеры экспериментальных задач первого вида.

• Измерение площади (5-й класс). Для изготовления рекламного щита размером 4 × 6 м была использована краска трёх цветов – белая, голубая и красная. На рисунке изображён щит в уменьшенном виде. Воспользуйся палеткой и определи, сколько каждой краски понадобилось для раскраски щита, если 1 кг краски хватает на 5 м² площади.

• Измерение силы трения (7-й класс). Даны деревянный брусок, дощечка и динамометр. Расположите дощечку под малым углом наклона. Измерьте силу трения, действующую на брусок при движении по дощечке вверх и вниз.

• Измерение силы давления (8-й класс). Определите, с какой силой будет выбрасываться вода из шприца, если на его поршень действовать силой 8 Н. Оборудование: одноразовый шприц, масштабная линейка.

• Градуирование динамометра (8-й класс). Даны рычаг, стограммовый груз и динамометр с заклеенной шкалой. Проградуируйте динамометр.

Приведём примеры исследовательских задач.

• Падение тел в жидкости (6-й класс). Даны кусок пластилина, нить и высокий сосуд с водой. Исследуйте, от чего зависит скорость падения тел из пластилина в воде. Сформулируйте гипотезу своего исследования и опишите, как вы её проверите. Описание хода эксперимента дополните поясняющими рисунками. Как вы будете сравнивать скорости падения тел?

• Взаимодействие молекул (6-й класс). Даны стеклянная пластинка, твёрдая пластина большего размера, три стаканчика – с водой, мыльным раствором и маслом, пипетка, динамометр и нитки. Подвесьте стеклянную пластинку к динамометру в горизонтальном положении. Капните на поверхность большой пластины одну каплю жидкости и осторожно опустите на неё стеклянную пластинку (см. рисунок). Измерьте силу, которую надо приложить, чтобы оторвать стеклянную пластинку. Одинакова ли эта сила для воды, мыльного раствора и масла? Аккуратно проведите опыты, запишите результаты измерений. Почему стеклянную пластинку трудно оторвать от влажной поверхности? Попытайтесь объяснить результаты своих опытов.

• Жёсткость резиновых колец (7-й класс). Даны пять одинаковых кольцевых резинок («банковских»), груз и линейка. Исследуйте, зависит ли жёсткость резины от её длины. От толщины? Что вы понимаете под жёсткостью резины? Зарисуйте схему опытов и опишите их ход.

• Испарение жидкости (8-й класс). Даны стеклянная пластинка, пипетка и часы. Исследуйте закономерности процесса испарения. Недостающее оборудование и материалы выберите сами.

Сформулируйте гипотезу своего исследования и опишите, как вы её проверите. Описание хода эксперимента дополните поясняющими рисунками. Какие измерения вы проведёте? Представьте результаты своих измерений в таблице.

Приведём примеры качественных, расчётных и графических задач.

• Вы сидите в вагоне движущегося поезда и смотрите в окно на проходящий мимо встречный поезд. Когда он промчится мимо, вам покажется, что скорость вашего поезда уменьшилась. Почему? (5-й класс.)

• На рисунке даны две мензурки. Воду из первой мензурки перелили во вторую. Чему равны цена деления и предел измерения второй мензурки? (5-й класс.)

• Рельсы не должны быть скользкими, иначе трамвай будет буксовать. Однако на крутых закруглениях внешний рельс смазывают. Зачем? (6-й класс.)

• В широком сосуде с водой плавает деревянный брусок. С какими телами он взаимодействует? Почему он находится в равновесии? Чему равны действующие на него силы, если масса бруска 70 г? (6-й класс.)

• Почему легко жонглировать двухметровой палкой, поставленной на палец, и практически невозможно проделать это со спичкой? (7-й класс.)

• Ученик получил задание построить график зависимости температуры воды от времени её нагревания. Он налил в большую, окрашенную в тёмный цвет кастрюлю 0,5 л воды и поставил её на газовую плиту. График, который он получил, изображён на рисунке. Каким процессам соответствуют участки графика А и В? Объясните, почему вода перестала нагреваться. Что нужно сделать, чтобы температура воды снова стала повышаться? Какие ошибки были допущены учеником при постановке опыта? (6-й класс.)

• Спортсмены бегут колонной длиной 140 м со скоростью 7 м/с. Навстречу бежит тренер со скоростью 3 м/с. Каждый спортсмен, поравнявшись с тренером, разворачивается и бежит назад с такой же скоростью. Какова будет длина колонны, когда все спортсмены развернутся?

Решите задачу двумя способами – аналитически (т.е. обычным способом) и графически. Определите по графику пути, пройденные первым и последним спортсменами к моменту, когда все спортсмены развернулись. Определите по графику путь, пройденный одиннадцатым спортсменом в колонне до встречи с тренером, если изначально расстояние между спортсменами было 10 м. (7-й класс.)

• В Закавказье растёт дерево самшит, плотность которого в 1,2 раза больше плотности воды. Из него приготовили брусок. Такого же объёма брусок приготовили из липы, плотность которой в 1,2 раза меньше плотности воды. Бруски связали вместе и погрузили в воду. Утонут ли бруски в воде? (8-й класс.)

• Почему при вбивании гвоздя его шляпка слабо нагревается от многих ударов, но, когда гвоздь уже забит, достаточно нескольких ударов, чтобы значительно нагреть его шляпку? (8-й класс.)

Неотъемлемой частью олимпиады юных физиков является конкурс самодельного оборудования. Он проводится с целью поощрения учащихся, творчески работающих в области создания физических приборов. В нём могут принять участие учащиеся двух возрастных групп: 5–6-го и 7–8-го классов.

Конкурс представляет собой публичную защиту разработанного изделия (прибора или вспомогательного устройства для проведения физического эксперимента). Участник также представляет тезисы своего выступления в печатном виде с цветной фотографией изделия и фотографией автора, чётким рисунком или схемой изделия, его названием и назначением. Представленное изделие должно быть безопасным при публичной демонстрации и видимым на достаточно большом расстоянии, иметь эстетичный вид.

Во время защиты участники описывают название и назначение изделия, цель его изготовления; принцип функционирования (физические явления и законы, положенные в основу работы); особенности изготовления (т.е. из каких материалов и как изготовить аналогичный прибор); элемент новизны (рационализаторский элемент, отличительные особенности представленного изделия в сравнении с аналогичными); перспективы развития (совершенствования) представленного изделия, а также демонстрируют работу изделия, отвечают на вопросы экспертов и других участников.

В заключение отметим особенности организации олимпиады. Дети приезжают из различных районов Челябинской области. Были случаи участия школьников из других регионов (Оренбурга, Омска). В первой половине дня они решают задачи, а после обеденного перерыва участвуют в конкурсе самодельного оборудования. Те, кто не привёз свои приборы, всё равно с удовольствием слушают выступления сверстников.

Во время конкурса жюри проверяет письменные работы (решения задач), а после конкурса объявляет результаты и награждает победителей. Мы особенно благодарны администрации и учителям лицея № 11, в котором традиционно проводится олимпиада. Учителя проводят большую предварительную работу по подготовке классов, оборудования к экспериментальным задачам. Открытие и закрытие олимпиады всегда проходит торжественно – ученики лицея показывают концертные номера, перед участниками выступают представители МОиН Челябинской области, директор лицея А.Г.Гостев, председатели жюри и оргкомитета олимпиады.

День олимпиады как для школьников, так и для организаторов получается ёмкий и нагруженный. Жюри работает в высоком темпе, чтобы успеть качественно проверить работы и не потерять ни одну оригинальную идею ребят. А их, поверьте, бывает немало! К концу дня уставшие и довольные школьники разъезжаются по домам. Мы с радостью отмечаем каждый год, что олимпиада – настоящий праздник для ребят. Особенно для 5–6-классников, ведь они практически впервые уезжают из дома, чтобы принять участие в испытаниях, показать свои достижения и любовь к физике.

С каждым годом количество участников олимпиады юных физиков растёт и уже превосходит число участников традиционного областного тура всероссийской олимпиады по физике. С каждым годом объём работы организаторов и членов жюри также растёт, но что может сравниться с радостью праздника для ребят?!

Ученики 6-го класса лицея № 11 на конкурсе самодельного оборудования. На переднем плане Сухов Ждан готовится к докладу по теме «Электромагнитная пушка».
На заднем плане Егор Леонов готовится к докладу «Модель подводной лодки». Рядом учитель физики Елена Васильевна Шерстобитова и мама Оксана Ивановна Леонова

Ученица 8-го класса школы № 99 Сёмкина Анна с иллюстративным материалом к докладу
«Модель движения спускаемой части космического аппарата в неоднородной среде»

 

Манана Дмитриевна Даммер окончила физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова в 1980 г., д.п.н., профессор, заведующая кафедрой теории и методики обучения физике Челябинского ГПУ, награждена знаками «Отличник народного просвещения», «Почётный работник высшей школы». Работала учителем физики в физико-математическом лицее № 31 г. Челябинска, с 1988 г. s– преподаватель Челябинского ГПУ. Педагогический стаж 28 лет. Автор опережающего курса физики для учащихся 5–6-х классов, учебников физики для 7–9-х классов грузинских школ (в соавторстве с мамой и братом). Педагогическое кредо – видеть в учениках творческую личность и способствовать их самореализации. Занимается проблемами методики обучения физике в школе и вузе, содержанием обучения физике. Основная педагогическая проблема – раннее обучение физике в школе.