ZAA1WKftoT

ного познания и творчества: благодаря субъективности творчества учитель может организовывать его и управлять им. К творческим задачам относятся: изобретательские, конструкторские, исследовательские, задачи-ловушки,

задачи-парадоксы и др.

В изобретательской задаче ставится вопрос «Как быть?». В таких задачах дополнительные условия делают очевидные решения невозмож-

ными, для их решения недостаточно применения традиционных знаний. Например: Как определить с земли (приблизительно) высоту дерева, теле-

графного столба или любого другого предмета, имея в своем распоряжении только небольшую линейку, длиной 20–30 см? [156].

В конструкторской задаче предполагается придумывание устройств,

исправление каких-либо логических, фактических и прочих ошибок. Ключевым является вопрос «Как это сделать?» Например: Обычными песоч-

ными часами можно отмерять только определенный промежуток времени. Усовершенствуйте конструкцию так, чтобы можно было отмерять разные промежутки времени.

В исследовательской задаче требуется найти объяснение некоторому явлению, выяснить его причины. Основными являются вопросы «Как это происходит? Почему?» Условие задачи основывается на известных уча-

щимся знаниях, но ответ формирует новые знания о рассматриваемом явлении. Например: Английский ученый Дж. Блэк задумался над вопросом:

снег должен сразу и полностью таять, как только температура воздуха достигнет точки его таяния, что должно привести к сильным наводнениям. Почему в природе этого не наблюдается? [226]

Задачи-ловушки рассчитаны на глубокий уровень физического восприятия явлений. Условие таких задач должно содержать ситуацию, в об-

суждении которой учащиеся делают типичные ошибки. Например: Луна

вращается вокруг Земли по круговой орбите радиусом 384 400 км с периодом обращения примерно 27,3 суток. Каким будет перемещение Луны

за 54,6 суток? [133]. Учащиеся часто путают понятие «путь» и «перемещение» и поэтому ошибаются в решении этой задачи.

Задачи – софизмы и парадоксы. Интересно свидетельство востоковедов о том, что в японской культуре существует специальный метод коанов – вопросов-загадок, которые своей неожиданностью разрывают привычные ло-

гические связи, выбивая ученика из заданного ритма. Таких коанов записано около 1 700. У нас это софизмы и парадоксы. Софизмы – это рассуждения, формально безупречные, но содержащие на самом деле ошибку, в результате чего конечный вывод оказывается абсурдным. Например, рассуждения Аристотеля об изменении скорости падающих тел разной массы. Парадоксы –

умозаключения, кажущиеся неверными, противоречащими «здравому смыслу», а на самом деле справедливые. Например: Можно ли вскипятить воду

снегом?

80

•проведения простых опытов и экспериментальных исследований по выявлению зависимостей между физическими величинами (взаимодействии заряженных тел, зависимости силы тока от напряжения на участке цепи, угла отражения света от угла падения и др.);

•объяснения устройства и принципа действия физических приборов и технических объектов (весов, динамометра, барометра, психрометра, двигателя внутреннего сгорания, динамика, микрофона и др.).

В.Для учащихся важно, что они:

•находятся в приблизительно равных условиях: они еще не знакомы с новым материалом, поэтому каждый может смело выдвинуть свою гипотезу, основанную на личном опыте;

•находят знакомые элементы в незнакомых для них явлениях, ситуациях;

•овладевают навыками совместной работы, чувствуют свою приобщенность к процессу решения задачи;

•не испытывают страха перед коллективным решением задач.

Ценность содержания физического образования повышается через

введение в него практико-ориентированных задач, так как:

•такие задачи, предлагаемые в начале или по ходу изучения материала – это одновременно и постановка проблемы, предлагающая справиться с задачами самостоятельно, и лекция или рассказ, вводящие учащихся в новую область, и подробное решение проблемы;

•такие задачи учат учащихся ориентироваться в новой области, выделять из многих закономерностей главные, строить физические модели;

•такие задачи дают почувствовать, что то небольшое количество идей и формул, которые даются в школе – это уже большая сила и мощный инструмент исследования, с которыми можно окунуться в жизненные проблемы и почувствовать себя при этом хорошо вооружен-

ным.

Приведем пример использования решения задач для подготовки учащихся к изучению сложного теоретического материала – вывода основного уравнения молекулярно-кинетической теории. Для этого подойдут практико-ориентированные задачи, объектом рассмотрения которых явля-

ются молекулярные пучки.

Какое время t потребуется для того, чтобы на поверхность стекла нанести слой серебра толщиной d = 5,0 мкм, используя для этого атомар-

ный пучок, в котором атомы серебра, имеющие концентрацию п = 1,0·1018 м−3, движутся со скоростью υ = 0,39 км/с ?

Поверхность металлического зеркала покрывают слоем серебра, пользуясь методом напыления. С какой скоростью z/t растет толщина этого слоя, если давление молекул серебра равно 0,105 Па, а средняя кинетическая энергия каждой молекулы 2,25·10−20 Дж?

83

При решении этих задач учащиеся знакомятся с понятием «молекулярный пучок», учатся рассчитывать число молекул в пучке, используют навыки, полученные ранее: вспоминают связь между силой и давлением, между силой и изменением импульса на примере абсолютно неупругого удара, т.е. в упрощенной ситуации отрабатывают приемы, требующиеся для вывода основного уравнения МКТ. А главное – получают представление о методах научного прогнозирования процесса создания тонких пленок методом напыления.

Покажем методику включения практико-ориентированных задач

визучение нового материала на примере изучение нового материала по теме «Закон Бернулли». Задачей учителя является подвести учащихся через решение задач к самостоятельному выводу зависимости давления p

впотоке жидкости и газа от скорости υ этого потока, и зависимости скорости υ движения от площади поперечного движения S. Изучение начинается

с показа практической направленности данного закона. Учащиеся вместе с учителем ищут ответ на такой проблемный вопрос: Почему опасно

стоять у края платформы быстро идущего поезда?

Ответ на данный вопрос помогает уяснить соотношение между скоростью движения υ и давлением p в движущемся потоке воздуха.

Для закрепления этого вывода предлагаются задачи-вопросы, на которые учащиеся смогут ответить самостоятельно: С внутренней или внешней стороны дома окажутся стекла окон, выбитые пронесшимся смерчем? По-

чему сильный ветер поднимает высоко над землей легкие предметы: листья, бумагу и др.?

Предлагается задача 1: В селе всю ночь бушевал ураган. Утром жи-

тели осматривают свои дома. На одних крышах домов черепицу сорвало полностью, на других частично, но некоторые даже ветхие дома не пострадали. Оказалось, что в большей степени пострадали крыши тех домов, в которых чердачные окна были закрыты. Выскажите предположения, почему такое могло произойти. Предложите для подтверждения вашей гипотезы модель опыта.

Данная задача заставляет мыслить учащихся: для ее решения нужно сориентироваться и выделить главные факторы, оказывающие влияние на движение черепицы; сравнить данную задачу с предыдущими и применить установленную зависимость между скоростью ветра υ и давлением в движущемся потоке p для данной задачи; продумать опытное подтверждение. Учитель выслушивает гипотезы и предложения, ставится эксперимент с домиками, у которых крыша – полоски бумаги; у одного домика есть чердачные окна, у другого – их нет.

Следующим элементом показа ценности данного закона может быть рассказ-вопрос об аэрации почвы (газообмене между почвой и атмосферой) [25], интенсивно происходящей при движении воздуха над вспаханным полем. На основе разбора данного примера учащиеся выясняют, что

84

за счет аэрации почвы почвенный воздух обогащается кислородом, а приземной воздух – углекислотой, создавая тем самым благоприятные условия для развития растений.

После разбора описанных задач, делается вывод: давление в текущих жидкостях и газах меньше в тех сечениях потока, в которых скорость больше, и наоборот.

На следующем этапе урока вновь через решение практико-ориенти- рованных задач (см. приложение 2) нужно подвести учащихся к выводу о зависимости скорости движения потока от площади поперечного сечения.

После коллективного решения задач, демонстрации опытов (парение шарика в воздушном потоке, возникновение подъемной силы крыла самолета, действие пульверизатора и водоструйного насоса и др.), то есть после доказательства практической значимости изучаемого материала, учитель выводит математическую зависимость между физическими величинами, характеризующими движение жидкости и газа по трубам. На таком уроке учащиеся не просто познакомятся с каким-то абстрактным движением по трубам, а увидят практическую направленность изучаемого материала.

Таким образом, такая методика изучения нового материала:

•формирует у учащихся основы физических знаний;

•вовлекает учащихся в научно-познавательную деятельность: выдвигаются гипотезы, формулируются проблемы, проводятся теоретические обоснования (в виде нахождения закономерностей, объяснения явления) и затем проверяется правильность выводов в ходе демонстрационного или фронтального эксперимента;

•показывает значимость физических законов;

•ориентирует учащихся на познание окружающей действительности. Исследование показывает, что в ходе решения практико-ориенти-

рованных задач учащиеся проявляют активность, способствующую повышению эффективности изучения предмета.

Если творческие задачи классифицировать на количественные (расчетные), качественные и экспериментальные, то для выбора задач, предшествующих изучению нового материала, в большей степени подходят

качественные и экспериментальные задачи.

2. Решение практико-ориентированных задач после изучения нового материала.

Методика проведения таких уроков направлена на:

•фундаментализацию знаний через решение задач;

•обучение учащихся ориентации в новой области, выделения из многих явлений главного;

•умение строить и обсчитывать физические модели;

•развитие критического отношения к полученным результатам.

Для закрепления приобретенных знаний, показа их ценности после

85

изучения нового материала важно предлагать учащимся практико-ориен- тированные задачи, показывающие применение изучаемого явления в быту, технике, проявление его в природе.

Для этих целей в большей степени подходят количественные задачи.

Например. При изучении физики на профильном уровне после изучения темы «Строение и механические свойства твердых тел» учащимся предлага-

лось построить модель и оценить предел прочности кристаллического твердого тела. После вопроса: Почему материалы не выдерживают сверхбольших напряжений и ломаются, ставилась задача: Получите значение предела прочности кристалла на разрыв.

Далее учитель направляет деятельность учащихся для вывода численной оценки данной физической величины. Ставятся вопросы:

–Каково строение кристалла? Учащиеся дают ответ: кристалл со-

стоит их атомов.

–Чему равна типичная сила межатомного взаимодействия? Уча-

щиеся и учитель оценивают ее из следующих соображений. Типичная потенциальная энергия межатомного взаимодействия – порядка 1 эВ, т.е. около 10-19 Дж. Для того чтобы разорвать межатомную связь, надо разнести атомы на расстояние порядка их собственного размера, то есть порядка 1 ангстрема = 10-10 м. Получаем, что, раздвигая атомы на расстояние порядка 1 ангстрема, мы увеличиваем энергию системы на один электронвольт, то есть, необходимая для этого сила приблизительно равна 10-19 Дж / 10-10 м = 10-9 Н. Именно такая сила и разорвет типичную межатомную связь.

– Необходимо перейти от микро к макропараметрам. Как определить важную характеристику материала – модуль Юнга E?

На уроке уже была получена формула F = ESdx/x, и проведен ее анализ. Поскольку сила в 10-9 Н, как мы знаем, разорвет одну атомную цепочку, а поперечную площадь в 1 м2 пересекает (1 м / 10-10 м)2 = 1020 атомных цепочек, то

наша оценка модуля Юнга даст E = 1011 Н/м2 = 0,1 ТПа.

– Исходя из этой оценки модуля Юнга, как получить максимальное напряжение, которое может выдержать кристалл?

Механическое напряжение – это сила, приложенная к единичной поперечной площади: s = F/S = Edx/x. Как мы знаем из опыта, обычно тела рвутся, когда их относительное удлинение dx/x достигает величин порядка 10% (эластичные материалы типа резин мы не рассматриваем: они кристаллами заведомо не являются). Значит, предельное значение напряжения, другими словами, прочность кристалла на разрыв равна sB = 10 ГПа.

Так как в данной задаче предельное значение напряжения sB рассчитано для абстрактного кристаллического тела, то необходимо предложить учащимся поработать со справочной таблицей «Упругие характеристики некоторых материалов» и сравнить, насколько сильно отличается полученная ими теоретическая прочность кристаллов на разрыв от реальной,

86

объяснить причину. Кроме того, предлагается выделить из всех рассуждений главное, исходя их которого, можно построить модель кристаллического тела.

Данная задача представляет собой реконструкцию учебного материала по конкретной теме (строение кристаллов, энергия и сила межатомного взаимодействия, предельное значение напряжения и др.), решение ее усиливает процесс осмысления и восприятия содержания темы.

2. Конструирование практико-ориентированных задач как способ усвоения содержания физического образования на основе самостоятельной деятельности.

Изменение содержание физического образования через решение прак- тико-ориентированных задач направлено на развитие мышления учащихся. Для развития мышления, самостоятельной ориентации учащихся в окружающей действительности необходимо предлагать им самостоятельное составление таких задач. Наше исследование показало, что в процессе работы над составлением задач учащиеся лучше усваивают учебный материал, чаще задумываются над практическим применением физических знаний. Такой вид самостоятельной работы учащихся является элементом развивающего обучения. Мы предлагаем следующие виды и способы разработки подобных задач:

1.Конструирование диалоговых задач. Составление таких задач происходит чаще всего тогда, когда ученик через научно-популярную литературу или Интернет находит интересный для него материал. Например, чтение о строении глаза у животных и рыб, привело к разработке диалога по вопросу: Отличаются ли хрусталики жи-

вотных и рыб?

2.Конструирование задач на установление причинно-следственных

связей. Задачи возникают, когда учащиеся ищут ответ на вопрос: Почему так происходит? Например: В большинстве стран в жару

пьют прохладительные напитки, а вот в странах Азии принято пить горячий чай даже в самые знойные часы. Как это объяснить?

3.Конструирование экспериментальных задач. Таких как, например:

Как сделать автопоилку для домашних животных? Как перелить

воду из резервуара в ведро с помощью резиновой трубки?

4.Построение задач связанных с осознанием фактов, на которые раньше не обращал внимание. Например: Яйцо взвесили перед началом и

в конце инкубации. Изменился ли вес яйца?

5.Составление задач, в которых существуют противоречия между житейскими представлениями и научными фактами. Например: Плот-

ности твердых тел больше, чем плотности жидкого состояния этих тел. Почему же зимой в реках вода находится подо льдом?

6.Конструирование задач на наблюдательность. Чтобы составить такую задачу, нужно чаще, обращаясь к известным явлениям и фактам

87

на бытовом уровне, задавать себе вопрос «Почему это происходит?»

Когда чаще всего перегорает нить лампы накаливания: в момент включения или в момент выключения? Почему?

7.Конструирование задач возникающих при изучении других предметов. Пример такой задачи: Почему ноги замерзают на морозе быст-

рее других частей тела?

Работа по составлению задач ориентирует учащихся на самостоятельное добывание знаний, приводит к формированию продуктивных и творческих форм их деятельности. При этом учащиеся используют Интернет, овладевая навыками работы в сети, учатся выделять главное в найденном материале, осознавать его значимость.

Подготовка содержания эффективного урока на основе решения прак- тико-ориентированных задач чрезвычайно трудоемка, так как требует анализа и творческой переработки большого количества задачного и теоретического материала. Но она оправдана конечным результатом. Исследование показало, что творческие практико-ориентированные задачи способствуют лучшему усвоению теоретического материала, мобилизуют жизненный опыт учащихся, развивают умение оперировать фактами, высказывать предположения, доказывать свои идеи. У учащихся развивается мышление, воображение, а главное, растет интерес к предмету и самостоятельной деятельности.

3. Формирование методологического подхода при решении нетрадиционных практико-ориентированных задач.

Система обучения физике включает в себя не только знания, но и процесс их добывания. Учитывая, что в цели обучения физике входит формирование у учащихся методологических знаний и общих способов деятельности, эти знания должны стать содержанием курса физики и поэтому мы предлагаем включить их в содержательный блок. Методологический аспект физических знаний должен быть раскрыт в такой же мере, как и факторологический. «Новый материал должен вводиться не как описательный, а как содержащий реальную проблему; для этого нужна методология решения проблем», – считают В.А. Болотов и Дж. Спиро, профессор Колумбийского университета. При этом они отмечают: «В новой системе обучения фокус внимания преподавателя смещается от получения правильного ответа к пониманию того, каким образом этот ответ получен» [22].

4. Применение общих методологических принципов на различных этапах изучения нового материала.

Проблема применения методологического подхода при решении задач заключается в отборе практико-ориентированных задач, обобщая решение которых возможно показать использование общих методологических принципов физики, таких как принцип симметрии, относительности, причинности, соответствия, дополнительности и др., а также в методике

88

демонстрации ценности данных принципов для осмысления закономерностей физических процессов.

Применение методологических принципов повышает уровень общего видения и восприятия учебного материала. Покажем это на примере использования принципа симметрии.

При изучении темы «Законы постоянного тока» в основной школе, учащимся следует показать зеркальность отображения законов последовательного и параллельного соединения проводников: в первой случае через каждый проводник протекает один и тот же ток, а во втором – каждый проводник в разветвленной цепи находится под одним и тем же напряжением. Решая практикоориентированные задачи по данной теме можно на основе принципа симметрии сделать обобщение свойств последовательного и параллельного соединения проводников, которые при всей своей противоположности, описываются одинаковыми математическими зависимостями (табл. 3.2).

Такие обобщения необходимо показывать учащимся.

Покажем варианты применения принципов симметрии и асимметрии

при изучении темы «Переменный ток» в профильных классах (табл. 3.3). Таким образом, качественная картина многих непохожих друг на

друга явлений и процессов оказывается достаточно сходной. Показывая учащимся, что такова структура многих процессов, учителю необходимо чаще использовать универсальные методы и подходы к исследованию конкретных физических явлений. Физика при этом выступает как единая наука, обладающая четкой структурой, общими методами и подходами.

89