Статья опубликована в электронном журнале ERONO №12
Формирование исследовательских умений учащихся при изучении некоторых физических понятий в основной школе: из опыта работы.
В
условиях постоянных и стремительных изменений, происходящих в мире,
способность самостоятельно учиться становится необходимым качеством
современного человека. Для того чтобы молодой человек, вступающий в
жизнь, мог самостоятельно решать встающие перед ним новые, неизвестные
вопросы и задачи, ему необходим опыт решения подобных задач. И этот опыт
может быть им приобретен в процессе учебной деятельности.
Наряду с требованиями к предметным результатам освоения основных
общеобразовательных программ в Концепции федеральных государственных
образовательных стандартов общего образования (нового поколения)
формулируются также и требования к метапредметным и личностным
результатам. «Под метапредметными результатами понимаются освоенные
обучающимися на базе одного, нескольких или всех учебных предметов
способы деятельности, применеимые как в рамках образовательного
процесса, так и при решении проблем в реальных жизненных ситуациях»[1]. Организация
учебно-исследовательской и проектной деятельности в рамках изучения
физики является одним из способов формирования универсальных учебных
действий, прежде всего, познавательных.
В данной статье приводится модель организации учебно-познавательной
деятельности учащихся с применением фронтального эксперимента,
направленной на формирование исследовательских умений в процессе
изучения физики в логике метода научного познания. Данную модель можно
реализовать в следующих ситуациях:
· при
изучении нового материала на уроках, на которых исследуется физическое
явление, устанавливается связь между величинами, характеризующими это
явление или свойства тел (объектов), участвующих в данном явлении, а
также устанавливается характер зависимости величин друг от друга;
· при
изучении нового материала на уроках, на которых в результате анализа
полученных экспериментальных данных вводятся новые физические величины;
· на
уроках закрепления изученного материала, например, при выполнении
лабораторных работ или работ физического практикума; при этом важно,
чтобы характер заданий носил исследовательский характер и позволял бы
учащимся не просто получить знания в готовом виде, а самим их добыть в
процессе проведения эксперимента.
Рассмотрим
основные этапы деятельности учителя и ученика на уроке изучения нового
материала. Отметим также, что на уроке используется групповая форма
работы, что одновременно позволяет развивать и коммуникативные умения
учащихся.
Первый этап - этап подготовки к активному усвоению знаний. На этом этапе перед учащимися ставится некоторая проблема
либо с помощью демонстрационного или фронтального эксперимента, либо
путем сопоставления известных фактов и выявления их противоречивости.
При этом желательно так организовать процесс, чтобы учащиеся сами могли
сформулировать проблему. Например, при введении понятия «плотность
вещества» учитель предлагает учащимся сравнить по внешнему виду два тела
(цилиндры одинакового объема, но изготовленные из разных веществ).
Учащиеся самостоятельно выдвигают основания для сравнения: размеры,
объем, вещество, цвет, массу. При этом возникает проблема сравнения масс
тел, и учащиеся приходят к выводу о том, что сравнить массы можно,
положив цилиндры на разные чашки уравновешенных рычажных весов. Умение
увидеть проблему является одним из самых сложных этапов
исследовательской деятельности и формируется, прежде всего, при обучении
учащихся ставить вопросы. Для того чтобы сформулировать проблему,
учитель спрашивает учащихся, не возникло ли у них вопросов по поводу
наблюдаемой ситуации? Какой вопрос можно сформулировать в данном случае?
Как правило, учащиеся сразу пытаются ответить, какое из тел обладает
большей массой. Но, если предложить в группах обсудить опыт и подумать
над проблемой, то возникают следующие вопросы:
· почему тела, имеющие одинаковые объемы, обладают разной массой?
· могут ли тела, иметь разный объем, но одинаковую массу и почему так бывает? (это вопрос сопровождается демонстрацией);
· от чего зависит масса тела?
Если учащиеся самостоятельно не могут сформулировать данные вопросы, то учитель помогает это им сделать.
Второй этап – выдвижение и формулировка гипотезы.
Гипотеза – это отклик на проблему, возможный вариант ее решения. Здесь
важно сказать учащимся, что гипотеза должна быть согласована с
наблюдаемыми фактами и, по сути, является важнейшим мыслительным
умением, которое обеспечивает направление поиска решения возникшей
проблемы. На этом этапе учащиеся самостоятельно или с помощью учителя
высказывают предположения
· о возможных причинах, порождающих проблему;
· о возможной взаимосвязи явлений и свойств тел (объектов), проявляющихся в этом явлении, то есть о связи физических величин, характеризующих протекание данного явления.
В
нашем примере учащиеся высказывают предположение, что масса тела
зависит от того, каков объём тела и от того, из какого вещества тело
изготовлено. Учитель высказывает мысль о том, что объём – физическая
величина, влияющая на величину массы, а вот для характеристики вещества
подобной физической величины учащиеся еще не знают. Можно ли ввести
такую величину? И какое ей можно было бы дать название? Если же
предложить учащимся ответить на вопрос, почему стальной шарик массивнее
такого же по размеру ватного шарика, практически сразу же следует ответ:
потому что стальной шарик плотнее. Так естественным образом возникает
название новой характеристики вещества – плотности. В этот момент и формулируется тема урока «Плотность вещества».
Третий этап – собственно само учебное исследование, которое в свою очередь можно разбить на отдельные этапы:
1. Целеполагание.
2. Планирование эксперимента.
3. Выполнение эксперимента.
4. Представление полученных данных с помощью различных знаковых систем.
5. Анализ полученных данных.
6. Обсуждение данных и формулировка выводов.
7. Рефлексия и формулировка новых вопросов и проблем.
На этапе целеполагания
учитель совместно с учащимися формулирует цель и задачи урока для
учащихся. Приведем пример задач для учащихся при изучении понятия
«плотность вещества»:
· выяснить:
1) почему тела одинаковой массы могут иметь разный объем, а тела
одинакового объема могут иметь разную массу? 2)что такое плотность
вещества, как ее можно измерить и вычислить? 3)что показывает плотность и
в каких единицах измеряется? 4) как масса вещества зависит от объема и
плотности тела? 5)для чего нужно знать плотность вещества?
· научиться экспериментально определять плотность вещества и сформулировать алгоритм определения плотности.
Такая формулировка позволяет определить задачу первого исследования: определить, как зависит масса тела от его объёма?
При
планировании эксперимента выбирается оборудование, намечаются этапы
деятельности учащихся, обсуждаются формы совместной деятельности
(преимущественно выбирается работа в группах или парах),
предусматривается способ фиксации полученных экспериментальных данных.
Выполнение
исследования может происходить двумя способами. Первый способ: все
учащиеся проводят одно и то же исследование, потом обсуждаются
результаты. Но, как правило, в рамках урока на полноценное проведение
одной и той же группой учащихся всех опытов не хватает времени, поэтому
предлагается второй способ: каждая группа выполняет свою часть
исследования, а затем предъявляет результаты классу. Результаты
фиксируются на интерактивной доске (это позволяет «запомнить»
результаты всех групп и вернуться к ним в любой момент), а также в
протоколах учащихся. Так, при исследовании зависимости массы тела от его
объема, каждой группе предлагается измерить массу и объем кусочка
пластилина, данные занести в таблицу в колонку под номером своей группы и
после доклада представителей всех групп получаем следующую картину:
Таблица 1. Исследование зависимости массы пластилина от объема.
Гр. 1
|
Гр. 2
|
Гр. 3
|
Гр.4
|
Гр.5
|
Гр. 6
| |
m, г
|
33,2
|
13,8
|
10,0
|
6,0
|
19,6
|
8,8
|
V, см3
|
23
|
11
|
7
|
5
|
16
|
7
|
На
этапе анализа полученных данных происходит выявление качественных и
количественных закономерностей. При этом класс работает в интерактивном
режиме, отчет каждой группы открыто обсуждается. Как итог, формулируются выводы
о той или иной зависимости физических величин друг от друга в
соответствии с поставленными задачами. В нашем примере учащиеся
обсуждают полученные результаты, приходят к выводу, что если тела
изготовлены из одного и того же вещества, то чем больше объем тела, тем
больше его масса. Характер зависимости устанавливается
1) при построении графика зависимости массы от объема тела: график – прямая, проходящая через начало координат;
2) при вычислении отношения массы тела к его объему получается практически одно и то же число:
Гр. 1
|
Гр. 2
|
Гр. 3
|
Гр.4
|
Гр.5
|
Гр. 6
| |
m, г
|
33,2
|
13,8
|
10,0
|
6,0
|
19,6
|
8,8
|
V, см3
|
23
|
11
|
7
|
5
|
16
|
7
|
m/V
|
1,4
|
1,2
|
1,4
|
1,2
|
1,2
|
1,3
|
Выводы:
1) масса тела прямо пропорциональна его объему;
2) отношение к объема к массе не зависит ни от объема тела, ни от массы тела.
Работа учащихся должна обязательно включать этап рефлексии:
что нового узнал? чему научился? что еще можно узнать? Таким образом, в
некоторых случаях учащиеся приходят к выводу о необходимости
продолжения уже новых исследований,
так как возникают новые проблемы и вопросы. Зачастую необходимо понять,
носит ли исследованная зависимость всеобщий характер или проявляется
только для тех конкретных учебных ситуаций, с которыми работали
школьниками?
Так
при изучении плотности возникает вопрос: будет ли отношение массы к
объёму тела одинаковым для тел равного объема, но состоящих из разного
вещества? Учащиеся приходят к выводу, что можно провести подобные
измерения, но на этот раз будет определяться отношение объема к массе
для тел, состоящих из разного вещества. Второе исследование происходит
по тому же плану, что и первое, но ребята проводят его практически
самостоятельно, учитель лишь консультирует учащихся, отвечает на
возникающие вопросы. Результаты второго исследования также подлежат
всеобщему обсуждению, в результате которого выясняется, что у тел
одинакового объема, но разной массы, отношение массы к объему
оказывается разным:
Таблица 2. Определение отношения массы к объему для тел равного объема
Гр. 1
|
Гр. 2
|
Гр. 3
|
Гр.4
|
Гр.5
|
Гр. 6
| |||
m, г
|
150
|
150
|
164
|
163
|
53
|
53
| ||
V, см3
|
19
|
19
|
20
|
20
|
20
|
19
| ||
7,8
|
7,8
|
8,2
|
8,2
|
2,6
|
|
При
этом оказывается, что тела, масса которых больше, и отношение массы к
объему имеют большее. Далее вместе с учащимися пытаемся выяснить, что
показывает это отношение? Какой физический смысл имеет? Выясняем, что
оно показывает,
какова масса вещества, взятого в единице объёма, и зависит только от
типа вещества, из которого сделано тело. Таким образом, приходим к
выводу, что отношение массы к объему тела можно считать характеристикой
вещества и даём ей название «плотность вещества». Так обосновывается
формула для определения плотности:
p=m/V
Аналогичным способом могут быть введены следующие физические величины:
· коэффициент жесткости при исследовании силы упругости от удлинения,
· коэффициент трения при исследовании силы трения скольжения от силы нормального давления (или силы реакции опоры),
· величина ускорения свободного падения и его независимость от массы тела при исследовании зависимости силы тяжести от массы тела;
· электрическое сопротивление;
· удельное
электрическое сопротивление при исследовании зависимости сопротивления
проводника от длины и площади поперечного сечения проводника;
· коэффициент
преломления при исследовании зависимости угла преломления от угла
падения при прохождении светового луча, например, из воздуха в стекло,
из воздуха в воду и т.д.
Анализируя
проделанную работу, учащиеся совместно с учителем раскрывают новое
понятие в соответствии с обобщенным планом, который часто
используется в школьном курсе:
1. Какое свойство тела или физическое явление характеризует данная физическая величина? На этот вопрос учащиеся легко ответят, так как обнаружили изучаемую зависимость, проводя опыты.
2. Определение.
3. Формула. Приводится формула-определение, с помощью которой эта величина была введена.
4. Единицы измерения. Вводятся на основе формулы-определения.
5. Способ измерения.
Ценным является то, что, проводя исследования, учащиеся фактически
создают алгоритм измерения данной величины. На данном этапе его полезно
зафиксировать.
Так
обсуждается алгоритм экспериментального определения плотности вещества,
который учащиеся используют на следующем уроке при определении
плотности жидкости. Эту практическую работу ребята выполняют полностью
самостоятельно.
Используемый подход к формированию некоторых физических понятий
позволяет развивать исследовательские умения и использовать их в
дальнейшем для выполнения самостоятельной и творческой работы, в том
числе и для внеурочной исследовательской и проектной деятельности, так
как при этом учащиеся овладевают умениями самостоятельно приобретать
новые знания, ставить перед собой цель, выдвигать гипотезы, планировать
свою работу, анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами.
Использованная литература:
1. Степанова Г.Н. Физика . 7 класс.: Учебник для общеобразовательных учреждений. – СПб.: ООО «СТП Школа», 2006.
2. Степанова Г.Н. Физика: Основная школа: Программа и методический комментарий. – СПб.: ООО «Валери СПД», 1999.
3. Концепция
федеральных государственных образовательных стандартов общего
образования: проект / Рос. акад. образования; под ред. А.М. Кондакова,
А.А. Кузнецова. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 2009.
4. Формирование
универсальных учебных действий в основной школе: от действия – к мысли.
Система заданий : пособие для учителя; под ред. А.Г. Асмолова. – М.:
Просвещение, 2010.
