Проектная работа На тему: Решение экспериментальных задач как средство повышения качества знаний учащихся по физике.
проект по физике (9 класс) на тему

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................3

ГЛАВА 1. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ПРОБЛЕМЕ  РЕШЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ УЧАЩИМСЯ.

1. . Тенденции обучения учащихся решению экспериментальных физических задач в школе....................................................................6
2. . Виды экспериментальных задач, их функции и место в учебном процессе по физике в средней школе................................................23
3. . Организация уроков физики с использованием экспериментальных задач...................................................................32

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ  ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ ПО ФИЗИКЕ.

1. . Организационная часть исследования.............................................43
2. . Педагогический эксперимент...........................................................46
3. . Анализ результатов эксперимента...................................................54

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................61

ВВЕДЕНИЕ

В связи с повышением научно-теоретического уровня курса физики средней школы все большее внимание уделяется решению физических задач. Физика является одной из лидирующих наук, она оказывает огромное влияние на различные отрасли науки, техники и производства. Хорошие результаты в обучении физике можно получить, применяя различные методы обучения.

Решение задач занимает в физическом образовании огромное место, в том числе и экспериментальных. При изучении физики приходится все время решать задачи. В практике обучения физике особое место занимают экспериментальные задачи. Экспериментальные задачи выполняют несколько дидактических функций: повышают интерес к предмету, активизируют внимание учащихся, способствуют политехническому образованию. Исследовательская форма решения экспериментальных задач является мощным средством развития интереса к предмету, подготовки учащихся к самостоятельной работе.

Использование экспериментальных задач должно быть кратким по времени, легким в постановке и нацеленным на усвоение и отработку конкретного учебного материала. В ходе решения экспериментальных задач ученики принимают в работе активное участие. Это способствует развитию у учащихся умений наблюдать, сравнивать, обобщать, анализировать и делать выводы. Экспериментальные задачи позволяют организовать самостоятельную деятельность учащихся, а так же развить практические умения и навыки. Опыт показывает, что решение экспериментальных задач эффективнее, чем ответы на вопросы или работа над упражнениями в учебнике.

Актуальность работы выражена в том, что в настоящее время в современной школе сложилась ситуация, в которой естественнонаучным дисциплинам уделяется все меньше учебных часов при сохранении информационной составляющей программы. В связи с этим, экспериментальные задачи в учебной практике в достаточной степени не востребованы, используются лишь эпизодически.

Проблема состоит в том, чтобы определить пути и способы использования экспериментальных задач, требующих временных затрат, и тенденцией к сокращению количества учебных часов, выделяемых на естественнонаучные дисциплины; возможностями оборудования современного кабинета физики и недостаточной разработанностью методики его использования.

Объектом исследования является качество знаний школьников с помощью экспериментальных задач.

Предметом исследования является методика использования экспериментальных задач на уроках физики.

Цель исследования: выявить и изучить возможности использования экспериментальных задач на уроках физики, способствующих повышению качества знаний учащихся.

Гипотеза исследования: если на уроках физики использовать экспериментальные задачи, то у учащихся появится возможность приобретать, наряду со знанием основных физических понятий и законов, информационные, экспериментальные, проблемные, деятельностные умения, что приведет к повышению качества знаний учащихся, повышению интереса к физике как к предмету.

Исходя из цели и выдвинутой гипотезы исследования, были определены следующие задачи:

- рассмотреть экспериментальные задачи и задания, их понятие и классификацию;

- раскрыть современное состояние качества знаний учащихся по физике;

- провести анализ решения экспериментальных задач на уроке физики;

- определить модель организации уроков физики с использованием экспериментальных задач;

- предложить пути развития элементов исследовательской деятельности в процессе обучения решению формализованных экспериментальных задач с использованием традиционного и нового оборудования школьного кабинета физики.

В ходе данного исследования применялись следующие методы: теоретический анализ проблемы на основе изучения психологической, педагогической и методической литературы, тестирование, наблюдение, анализ результатов исследования, педагогический эксперимент по реализации разработанных уроков с использованием экспериментальных задач на уроках физики в учебном процессе со статистической обработкой его результатов.

Научная новизна и теоретическая значимость бакалаврской работы заключается в попытке разработки методики использования экспериментальных задач на уроках физики, способствующей повышению качества знаний учащихся по физике, повышению интереса учащихся к физике как к предмету.

Практическое значение работы состоит в возможности разработки путей и способов использования экспериментальных задач на уроках физики.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы, приложений. Во введении работы обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования. В первой главе рассмотрена сущность использования экспериментальных задач в школьном курсе физики. Во второй главе предложены методические рекомендации использования экспериментальных физических задач. В заключении сформулированы обобщающие выводы и предложения по исследуемой теме.

Апробация методических рекомендаций проводилась в практической работе на базе СВФУ ФТИ ФДОШ.

ГЛАВА 1. ПСИХОЛОГО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ПРОБЛЕМЕ РЕШЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ УЧАЩИМСЯ

1.1. Тенденции обучения учащихся решению экспериментальных физических задач в основной и полной средней школе

В процессе формирования мотивации выработки умений уверенно решать задачи школьника, изучающего физику на профильном уровне, учителю полезно руководствоваться педагогическим опытом П.Л.Капицы в подготовке исследовательских кадров, считавшего, что «Перед тем как решить крупную научную проблему, ученым надо уметь ее решать в малых формах» [14]. Мотивации к решению задач школьника, изучающего физику на базовом уровне и не связывающего свою дальнейшую деятельность с наукой или техникой, служит накопление опыта решения разнообразных проблем как проявление и тренировка интеллекта и творческих способностей.

При всей полярности подходов к обучению физике в профильном образовании от физико-математического до гуманитарного принципиально важно научить учащихся находить необходимую информацию, преобразовывать ее в соответствии с определенными требованиями и поступать согласно полученным выводам. При выполнении перечисленных действий, которые явно или неявно присутствуют в решении физических задач и проявляются интеллектуальные умения человека [1,23,24]. Поэтому, наряду со знаниями фактического характера, уровень развития мышления учащихся по окончании школы является наиболее существенным показателем образования [7].

Анализ научно-методической литературы и практики обучения физике показывает, что универсальных подходов для выработки умения решать физические задачи не существует. Поэтому работы многих поколений отечественных и зарубежных учителей, методистов физики и исследователей, связанных с преподаванием, посвящены организации накопления учащимися позитивного опыта в деятельности по решению задач [21]. Сложились различные методические подходы к обучению решению физических задач, среди которых обучению решению экспериментальных задач в последнее время уделяют все больше внимания [2,3]. Рассмотрение различных классификаций в методике обучения решению задач способствует согласованию терминологии и отражает традиции методических исследований в данной области. Поэтому в логике дальнейшего изложения будем придерживаться традиций, выдержавших проверку временем.

В настоящее время в методике обучения решению физических задач можно выделить два основных направления, задающих ориентиры развития этой области методических исследований [19].

В одном направлении [13], основанном на психологической теории деятельности А.Н.Леонтьева, структура процесса решения физической задачи выражается через структуру учебного алгоритма включающей в себя следующие действия: ознакомление с задачей, составление плана решения, осуществление плана решения, проверка полученного решения, а также операции: ориентирование, планирование, исполнение, контроль, по реализации каждого из действий. При этом цель обучения состоит в формировании у учащихся обобщенных умений решать физические задачи. Для реализации этой цели предлагаются обобщенные алгоритмы действий по решению физических задач. Применение алгоритмов решения задач по различным темам предполагает усвоение школьниками не только фактического материала, но и самих алгоритмов. Однако на все случаи учебно-познавательной деятельности учащихся, которая при решении не типовых тренировочных задач, а задач исследовательского характера становится поисковой деятельностью, алгоритмы предложить невозможно. Поэтому для успешного обучения решению физических задач необходимо накопление индивидуального опыта решения задач.

Другое направление основано на представлениях методологического уровня. В процессе решения научных или учебных физических задач неизбежно возникает необходимость в использовании не только конкретно-научных, но и общих форм и методов познания. Акцент поставлен не на освоение алгоритмов, а на применении для решения физических задач методологии физики в виде трех уровней описания: уровень явлений, законов физики и принципов симметрии [11], которые в применении к решению задач выступают в виде: уровня конкретных законов физических теорий, уровня фундаментальных физических законов и уровня методологических принципов физики [6]. При этом достигаются две основные цели: обучение учащихся решению физических задач и формирование у них навыков применения универсальных методов познания. Усвоение технических приемов по решению задач и некоторых алгоритмов действий не является самоцелью, а происходит опосредованно, в процессе анализа конкретных физических явлений. Тем самым успешное обучение решению задач реализуется в ходе накопления учащимися индивидуального опыта решения задач. Данное диссертационное исследование выполнено в русле последнего направления на конкретном материале экспериментальных задач.

Первая классификация учебных физических задач была проведена, по-видимому, В.В. Лермонтовым (Методика физики и содержание приборов в исправности, 1907г.) Он выделил два типа задач: задачи-вопросы и вычислительные задачи. Задачам-вопросам уделял первостепенное значение и указывал на необходимость их широкого использования. В качестве примера задачи-вопроса данного автора приведем следующий: «Потонет ли кусок твердого чугуна в расплавленном чугуне? Почему?». В [18] отмечено, что такие задачи выполняют функцию, побуждающую учащихся к применению знаний по физике, но вопрос о развитии творческих способностей не был поставлен.

Одно из первых и наиболее общих в методическом плане определений физической учебной задачи дано С.Е. Каменецким и В.П. Ореховым. «Физическая учебная задача - небольшая проблема, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики».

Задачи по физике разные авторы классифицируют по разным признакам. Признаки для классификации, чаще всего, принимаются следующими: по содержанию, по назначению, по глубине исследования вопроса, по способам решения, по способам задания условия, степени трудности и т.д.

По содержанию задачи классифицируют, в зависимости от изучаемого материала: по механике, молекулярной физике, электродинамике и.т.д.

Различают задачи с абстрактным и конкретным содержанием. Методическое достоинство абстрактных задач состоит в том, что в них выделена и подчеркнута физическая сущность явления, выяснению которой не мешают несущественные детали. При этом важно вместе с учащимися обсудить, какие детали можно считать несущественными и почему ими можно пренебречь.

Например, рассматривая равноускоренное соскальзывание тела по наклонной плоскости, можно пренебречь взаимным притяжением тела и Луны из-за пренебрежимо малой величины этого притяжения по сравнению с силой тяжести Земли, силой трения скольжения, силой нормальной реакции плоскости.

Главное достоинство задач с конкретным содержанием состоит в их большой наглядности, связи с жизнью и межпредметном характере. Однако здесь возникает принципиальный момент, связанный со сложностью задач относительно реальных явлений. Поэтому и в решении таких задач необходимо вводить представления о физических моделях рассматриваемых реальных систем [17].

В методике обучения физике как научной специальности устойчиво присутствуют работы, связанные с задачами, классифицируемыми как задачи с политехническим содержанием.

Развитию познавательных интересов учащихся при обучении решению физических задач способствует такой класс задач, который принято называть занимательными задачами (Б.Ф.Билимович, В.И.Лебедев, Я.И.Перельман, и др.).

По основному способу решения различают устные, экспериментальные, вычислительные, графические и другие задачи. Итоги анализа научно-методической литературы [4,8] по классификации задач, представим в виде таблицы 1.1-1.

Таблица 1.1-1. Основные виды классификации учебных задач по физике.

Однако некоторые названия стали почти неупотребительные или претерпели изменения по смыслу, сохранив названия. В практике обучения под устными задачами, как правило, в настоящее время понимают задачи для умственной разминки учащихся и фронтального контроля ранее изученного материала в начале урока. Например, «Зная свою массу, скажите, сколько Вы весите, стоя на полу класса?».

В связи со становлением в науке триады «экспериментальной - теоретической - вычислительной» физики [5], под вычислительными задачами часто понимают задачи компьютерной физики. Кроме этого, возможности современной техники позволяют ставить видеозадачи, в которых возможны не только наблюдения, но и измерения.

Авторы [21,22] условно классифицируют экспериментальные задачи по роли эксперимента в решении. Однако для компактности изложения возможно аналогично таблице 1.1-1 классифицировать экспериментальные задачи следующим образом (таблица 1.1-2).

Таблица 1.1-2. Классификация экспериментальных задач по физике.

Таблица 1.1-2 представляет собой развитие классификации задач, представленной в таблице 1.1.-1. применительно к экспериментальным задачам. В ней заслуживает пояснение классификация задач по способам задания условия. Используя терминологию относительно теоретических задач (поставленные и непоставленные), мы разделили экспериментальные задачи на два класса: формализованные (по аналогии с теоретическими поставленными задачами) и неформализованные (по аналогии с теоретическими непоставленными задачами). Подробная информация об этих видах экспериментальных задач и примеры приведены в гл.2.

В вопросе о том, какие задачи отнести к экспериментальным, окончательных договоренностей в определениях не достигнуто. Термин «экспериментальные задачи» был впервые введен в методику обучения физике в работах С.С.Мошкова, обстоятельно разработавшего применение таких задач в средней школе.

С.С. Мошков считал, что «одним из путей осуществления связи теории с практикой является постановка экспериментальных задач, данные для решения которых не берутся в готовом виде из учебников, задачников и пр., а получаются опытным путем непосредственно в процессе их решения». Такие задачи в отличие от текстовых, решение которых осуществляется по готовым, приведенным в условии задачи данным, можно называть экспериментальными, поскольку данные для их решения получаются экспериментально во время решения задачи.

Отметим различие между экспериментальным заданием и экспериментальной задачей. Например, предложение найти объем тела при помощи мензурки, есть экспериментальное задание, а не задача, т.к. учащемуся заранее известен порядок действий для выполнения задания. Иначе говоря, в задании отсутствует ситуация поиска, необходимо лишь выполнить конкретные экспериментальные действия алгоритмического характера для получения ответа на поставленный в задании вопрос.

Требование же найти плотность вещества, из которого изготовлено данное твёрдое тело, без указания, какими приборами и зависимостями между физическими величинами можно воспользоваться, представляет собой экспериментальную задачу.

Таким образом, экспериментальная задача представляет собой особый вид задачи, характеризуемой ее отношением к эксперименту, основным признаком которой является не просто наличие эксперимента, поставленного в связи с ее решением, а невозможность постановки задачи или осуществления ее решения без эксперимента.

К качественным экспериментальным задачам относят задачи - вопросы, поставленные на конкретном материале, конкретной физической установке и не требующие для своего решения количественных данных и математического расчета.

Количественными экспериментальными задачами называют такие задачи, решение которых производится путем математической обработки данных, полученных экспериментально, в процессе их решения. Примером такой задачи является задача о нахождении плотности тела по результатам гидростатического взвешивания.

Приведем обобщенные и наиболее существенные признаки натурного эксперимента как метода научных исследований, которые должны быть адекватно отражены в организации познавательной деятельности при обучении учащихся решению экспериментальных задач.

Анализ литературы [15,16] даёт основания выделить в натурном эксперименте следующие общие признаки: эксперимент предпринимается с целью научного познания; научное познание отличается от других видов познания мира (обыденного, художественного, мифологического) объективностью, доказательностью, точностью, нацеленностью на раскрытие все более глубоких сущностей наблюдаемого; на всех этапах эксперимента (планирования, выполнения материально-направленных действий, обработки данных) деятельность экспериментатора в существенной мере подчинена цели контроля и минимизации погрешностей измерений; в эксперименте исследователь активно взаимодействует непосредственно с изучаемым материальным объектом с целью установления некоторой совокупности его свойств, составляющих предмет исследования; в эксперименте исследователь осуществляет воздействия на изучаемый объект и определяет характер отклика на эти воздействия с помощью приборов и специального оборудования; в эксперименте исследователь контролирует, варьирует и комбинирует условия проведения наблюдений и измерений, в частности, он изолирует исследуемое явление от действия побочных факторов; в эксперименте исследователь имеет возможность многократно воспроизводить изучаемое явление; эксперимент - количественный метод исследования, в нем искомые свойства объекта определяются не только качественно, но и путем измерений количественно.

Эксперимент имеет перед наблюдением ряд преимуществ. Например, выделены следующие: в ходе эксперимента изучаемое явление может не только наблюдаться, но и воспроизводиться по желанию исследователя; в условиях эксперимента возможно обнаружение таких свойств явлений, которые нельзя наблюдать в естественных условиях; эксперимент позволяет изолировать изучаемое явление от усложняющих обстоятельств путем варьирования условий и изучать явление «в чистом виде».

Приведенные признаки эксперимента осознаются и усваиваются учащимися на протяжении всего времени обучения физике и в различных элементах обучения: изучении фундаментальных физических экспериментов на уроках нового материала, демонстрационных учебных экспериментах, лабораторных и практических работах, выполнении экспериментальных заданий. Результаты диссертационного исследования показывают, что наиболее активно и осознанно приведенные признаки эксперимента учащиеся усваивают в процессе решения экспериментальных физических задач не репродуктивного, а исследовательского творческого характера.

Состав и последовательность действий по выполнению учебного исследовательского эксперимента как обобщенный план деятельности представляется в следующем виде.

1. Подготовительный этап:

• выявление противоречия между наличным и требуемым уровнями знаний о предмете экспериментального исследования (самостоятельно или в связи с получением учебного задания);
• актуализация имеющихся знаний о предмете исследования;
• формулировка (уточнение) цели и задач исследования;
• выдвижение гипотезы;
• разработка метода решения задачи на основе имеющихся знаний (наиболее значимыми при этом являются знания теоретического характера об исследуемом явлении), в том числе: получение расчетной формулы, определение состава контролируемых величин, способа их измерения; проектирование экспериментальной установки, выбор приборов, материалов, проверка их наличия и исправности; определение последовательности измерений, диапазона варьирования различных параметров эксперимента, необходимого количества опытов; прогноз точности, степени достоверности ожидаемых результатов; выбор оптимальных условий постановки опытов с целью изоляции и расчленения исследуемого явления, минимизации погрешностей измерений;
• выбор способа кодирования информации, получаемой в процессе наблюдений и измерений.

2. Этап выполнения действий по созданию экспериментальной установки и получению первичных данных:

• сборка и наладка экспериментальной установки, подготовка образцов;
• проведение наблюдений и измерений;
• фиксирование полученных данных.

III. Этап обработки и интерпретации результатов измерений и наблюдений:

•    расшифровка, преобразование, математическая обработка, оценка точности и достоверности, полученных данных, их интерпретация, обобщение;

• при необходимости осуществление дополнительных серий измерений;
• формулировка выводов, изложение результатов работы.

Приведенное описание деятельности как компонента содержания обучения, подлежащего освоению школьниками, отражает, в основном, ее функциональные составляющие: ориентирование, планирование, исполнение, контроль. Отсутствие в этом описании в данном параграфе диссертации потребностно-мотивационной части обусловлено тем, что эта составляющая не содержит в себе специальных элементов собственно экспериментальной деятельности, характерной для изучения физических явлений.

Таким образом, приходится констатировать, что так же как в обучении решению задач нет универсальных рецептов для выработки умения решать задачи, состав действий, операций, выполняемых в ходе экспериментального учебного исследования, свидетельствует о том, что не существует универсальных формализованных методик планирования и осуществления эксперимента, обработки и интерпретации полученных результатов. Никакая заранее определенная система знаний, методов не может быть использована в качестве алгоритма для осуществления более или менее развернутого экспериментального исследования. Уже на этапе постановки экспериментальной задачи необходимо владеть достаточно разветвленной сетью понятий об экспериментальном методе. В зависимости от условий, методика получения и обработки данных, адекватная поставленной экспериментальной задаче, каждый раз разрабатывается заново. Экспериментальные задачи относятся к разряду открытых познавательных задач, т.е. их решение может быть осуществлено многими способами.

Именно по этой причине принципиально важно накопление учащихся позитивного опыта решения экспериментальных задач для развития интуиции учащихся о поведении реальных физических систем. Накопление опыта возможно при последовательном проведении учащихся через тематические комплексы экспериментальных задач, рассмотренные во второй главе диссертации.

Анализ других научно-методических работ показывает, что позиция С.С.Мошкова претерпевает некоторые незначительные изменения, оставляя инвариантной свою сущность. Например, авторы, считают, что «В широком смысле экспериментальными называют задачи, в которых:

• недостающие данные нужно получить путем измерений;
• результаты вычислений следует проверить экспериментально;
• необходимо теоретически обосновать результаты эксперимента».

Аналогичная точка зрения высказана в [22], где «к экспериментальным задачам относятся те, которые не могут быть решены без постановки опытов или измерений».

Рассматривая проблему развития творческих способностей при обучении физики, В.Г.Разумовский предложил соответствующую систему, в которой также отведено место экспериментальным задачам. Отметим характерные моменты этого подхода.

Одна из важных проблем управления творческой деятельностью - проблема новизны. Если к творчеству относить лишь деятельность, в результате которой получаются продукты объективно новые, то планомерная организация такой деятельности в процессе обучения невозможна.

Однако с точки зрения психологии творческой деятельности важна лишь субъективная новизна продукта, что и дает основания к развитию творческих способностей в обучении.

В [20] предложены два типа творческих задач по физике, из которых оба могут быть экспериментальными. Под термином «творческая задача» предлагается понимать задачу, алгоритм решения которой учащемуся не известен. Первый тип — исследовательские задачи (дают ответ на вопрос «почему?»), в которых нужно объяснить незнакомое явление на основе подходящей абстрактной модели из теоретических знаний по физике. Второй тип - конструкторские задачи (дают ответ на вопрос «как сделать?»), в них требуется получить реальный эффект соответственно данной абстрактной модели (закону, формуле, графику и т.п.)

Подход автора [20] к экспериментальным творческим задачам, поясним следующим его примером. «С наклонной плоскости скатываются два одинаковых по форме, размерам и массе цилиндра. Будучи пущены одновременно с одной и той же высоты, цилиндры, скатываясь с наклонной плоскости, набирают разную скорость — один цилиндр обгоняет другой. Почему?»

Скатившись с одной и той же высоты, одинаковые по массе цилиндры приобретают одинаковую кинетическую энергию. Эта энергия состоит из суммы энергий поступательного и вращательного движений. Можно предположить, что цилиндры обладают разными моментами инерции и соответственно получают разное распределение энергий поступательного и вращательного движений. Следовательно, при разных моментах инерции цилиндры, обладая одинаковой энергией, будут катиться с разными скоростями.

При проверке внутреннего устройства цилиндров оказывается, что заключение сделано верно.

Развитие идей В.Г.Разумовского продолжено в [12]. К основным результатам работы А.А.Давиденко можно отнести разработку оригинальной модели организации познавательной деятельности учащихся практикоориентированной направленности в обучении физике, основанной на заданном подходе. Авторское оснащение модели содержит интересную для практики обучения физике классификацию задач, подкрепленную широким набором конкретных экспериментальных, исследовательских, изобретательских, конструкторских и рационализаторских задач.

Различные аспекты проблемы использования экспериментальных задач в активизации учебно-познавательной деятельности учащихся, на разных этапах урока физики и в формировании обобщенных экспериментальных умений учащихся исследованы в ряде диссертационных работ, например, [9,10] и др.

Процесс решения физических задач относится к активным методам, способствующим развитию познавательного интереса, усвоению систем знаний и развитию мышления учащихся. Результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента показывают, что при традиционном обучении далеко не всегда удается уделить достаточное внимание развитию исследовательских умений и навыков учащихся. Одним из способов преодоления этого недостатка является подход, основанный на сочетании решения задач с лабораторным практикумом, характерный для вузовского обучения, где задачи-задания используются как в качестве постановки проблемы, так и составляют теоретическую основу ее решения. На уровне средней школы подход, сочетающий лабораторный практикум и решение задач, рассмотрен в <Дмитриева O.A. Инновационный подход к решению задач и лабораторному практикуму в курсе физики средней школы: Автореф. дисс. ... к. п. н.-СПб., 2005.- 17.> . Подход  реализован на материале циклов задач по механике, молекулярной физике и электричеству. Циклы задач построены на основе повторяющихся в обучении работ лабораторного практикума, определенного учебными программами.

Однако, как показывают результаты проведенного нами исследования, объединение экспериментальных задач в тематические комплексы предоставляет учителю большую вариативность в использовании таких задач не только в сочетании с лабораторными и практическими работами, но и в виде отдельных задач на экспериментальном исследовательском столе, а также в различных этапах урока. Комплекс (от лат. сотр1ехиБ — связь, сочетание), совокупность предметов или явлений, составляющих одно целое . Методические рекомендации по отбору задач в тематические комплексы и их использованию предложены во второй главе диссертации.

Анализ литературы показывает, что кроме отмеченного сочетания, экспериментальные задачи (как качественные, так и количественные) можно использовать по-разному в различных частях урока. Иллюстрируем сказанное на примерах использования экспериментальных задач при объяснении нового материала, при закреплении нового материала, при опросе учащихся в практике обучения физике, подтвердившихся на этапе констатирующего педагогического эксперимента.

При объяснении нового материала экспериментальные задачи способствуют пониманию и усвоению материала урока. В этом случае решение экспериментальных задач является дополнительным приемом, помогающим достижению цели урока. Поэтому экспериментальные задачи должны быть подобраны таким образом, чтобы не отвлекать учащихся от достижения основной цели, а наоборот сосредоточить внимание на ней. Результаты решения должны рассматриваться как подтверждение правильности общего теоретического вывода.

Например, при изложении законов электролиза в 10 классе можно предложить следующую задачу: «Используя сосуд с раствором медного купороса и два угольных электрода определить полюса источника тока». При решении данной задачи ученик, вызванный к доске, собирает электрическую цепь и в ходе эксперимента объясняет, что электрод, на котором выделяется медь, соединен с отрицательным полюсом батареи. Правильность решения проверяется по обозначениям полюсов источника тока (перед проведением эксперимента полюса источника заклеены непрозрачным скотчем). Решение этой экспериментальной задачи позволяет учителю еще раз обратить внимание на важные моменты нового материала и тем самым способствовать усвоению его на уроке.

При закреплении нового материала с помощью экспериментальных задач учитель устанавливает, как учащиеся поняли новый материал, а также демонстрирует учащимся возможность использования установленного на уроке физического закона на практике. Например, объяснив в 10 классе материал по теме «Соединение элементов в батарею», можно предложить следующую экспериментальную задачу: «Цепь собрана по схеме, где два элемента в батарею соединены друг за другом, но одинаковыми полюсами». Перед классом ставится вопрос: «Почему не горит лампочка, подключенная к такой батарее?». Если ученики правильно поняли новый материал, то они найдут неисправность в схеме: при последовательном соединении два соседних элемента оказались соединенными друг с другом разноименными полюсами.

Важное место экспериментальные задачи занимают и при опросе учащихся, когда учителю важно установить степень усвоения и понимания того или иного вопроса курса физики. Учащиеся могут формально заучить написанное в учебнике, дать правильную формулировку закона, но не понимать его физической сути. В этом случае экспериментальная задача поможет учителю выявить формальность знаний, а ученику - глубже понять физические закономерности.

При опросе учащихся экспериментальная задача ставится и решается отвечающим учеником. Ценность экспериментальной задачи в этом случае заключается в том, что ученик показывает не только свои теоретические знания, но и умения применять их на практике, а также овладевает навыками сбора электрических цепей, работы с приборами и т.д. Например, при обобщении знаний учащихся по теме «Соединение проводников» полезно решить такую экспериментальную задачу: «Две электрические лампы одинаковой мощности, рассчитанные на одинаковое напряжение, соединены последовательно и подсоединены к источнику тока, который обеспечивает напряжение, нужное для номинального накала одной лампы. Как изменится накал ламп, если параллельно одной из них включить еще одну такую же лампу?» Ученик, вызванный к доске, вначале теоретически обосновывает решение этой задачи: при включении третьей лампы параллельно второй сопротивление участка цепи уменьшается. Известно, что напряжение на отдельных последовательно соединенных участках цепи пропорционально сопротивлению этих участков, поэтому напряжение на участке параллельного включения ламп упадет, а на первом участке увеличится и накал лампы, включенной на этом участке цепи, увеличится. Затем, собрав электрическую цепь, экспериментально проверяет теоретическое решение.

Кроме использования на уроке экспериментальные задачи способствуют развитию творческих способностей и при выполнении учащимися домашних заданий. В работе <Самарская В.Д., Зобова O.A. Домашний физический эксперимент при обучении физике // Проблемы учебного физического эксперимента: Сб. науч. тр. - Вып. 14.-М.: ИОСОРАО, 2002. - С.16 - 18.>. показано, что в 7-8 классах домашний эксперимент подобен лабораторным работам. В старших классах перед учащимися ставится проблема, пути решения которой они должны найти самостоятельно. Учащихся нужно подготавливать к выполнению серьезных самостоятельных исследований на примере более простых заданий.

В работе <Самарская В.Д., Зобова O.A. Домашний физический эксперимент при обучении физике> дан совет: если учитель желает применять в своей практике домашний эксперимент, он должен сразу решить вопрос о погрешностях измерений и их вычислении; поэтому для домашних экспериментов предлагается применение приближенных методов вычисления, это упростит практику обработки результатов.

1.2. Виды экспериментальных задач, их функции и место в учебном процессе по физике в средней школе

Решение задач занимает очень большое место в учебной работе по многим предметам. За время обучения в школе учащиеся затрачивают примерно треть всего учебного времени на решение задач. И это правомерно, т.к. решение задач - неотъемлемая составная часть процесса обучения, поскольку, во-первых, решение задач является целью обучения, так как в значительной своей части цели обучения физике предполагают овладение учащимися методами решения учебных физических задач, являющихся основой для решения в последующем производственно-технических и народно-хозяйственных задач в их трудовой деятельности; во-вторых, решение задач является способом передачи знаний учителем и усвоения их учащимися. Следовательно, решение учебных физических задач выступает и как средство, и как цель обучения.

Широкие возможности использования задач в процессе обучения и методика обучения учащихся их решению были раскрыты в работах дидактов Ю.К.Бабанского, Б.П.Есипова, Ю.М.Колягина, И.Я.Лернера, М.Н.Скаткина, М.И.Махмутова, А.М.Сохора и др.; а также методистов-физиков Д.А.Александрова, В.А.Балаша, П.Я.Знаменского, С.Е.Каменецкого,

В.К.Кобушкина, С.С.Мошкова, В.П.Орехова, А.В.Перышкина, В.1|Г Разумовского, Л.И.Резникова, И.И.Соколова, Н.Н.Тулькибаевой, А.В.Усовой, И.М. Швайченко, и др.

Авторами доказано, что решение задач составляет неотъемлемую часть полноценного изучения предмета (в частности, физики) на любом уровне, так как судить о степени усвоения физических понятий можно по умению сознательно их применять для анализа конкретных физических явлений в процессе решения задач.

Процесс решения задач по мере усвоения школьного курса физики относят к активным методам, способствующим усвоению системы знаний и развитию мышления учащихся. Но данное умение относится к числу трудноформируемых. Поэтому, хотя на решение задач затрачивается значительное количество учебного времени, особенно в обучении естественнонаучным предметам и математике, но результаты этой огромной работы зачастую весьма неутешительны. Многие учащиеся так и не научаются самостоятельно решать задачи, а главное - эффект влияния решения задач на умственное развитие учащихся незначителен. "В реальном педагогическом процессе учебные задачи выполняют ничтожно малую роль от той роли, которую они могли бы играть в деле развития мышления и личности учащихся".

В качестве причин такого состояния нам видится два момента: прежде всего, сокращение количества часов, отводимых на решение задач в новых программах и обусловленная этим недостаточность времени на отработку решения задач разных видов, задач творческого характера; во-вторых, заметное в последние годы падение интереса учащихся к учению, образованию в целом. Отсюда возникает проблема стимулирования возникновения у учащихся потребности в знаниях, которая напрямую связана с вопросами активизации учебно-познавательной деятельности учащихся.

Учебные задачи являются компонентом учебной деятельности, и они должны соответствовать ее целям. С точки зрения психологии, "результат решения учебных задач важен не сам по себе, а в связи с процессом решения задач - как определенный показатель функционирования учебной деятельности, уровня ее сформированности. Решение учебных задач имеет смысл лишь в связи с достижением учебной цели".

Не останавливаясь на трактовке различных определений понятия "задача" в общенаучном понимании, в методике физики и других частных дидактиках, отметим, что этот вопрос получил достаточное освещение в психолого-педагогической и дидактической литературе.

Исследователями в области педагогики и методики преподавания физики разработано множество различных классификаций учебных физических задач, основные из которых мы приводим в таблице 1.

Отметим, что не всегда можно провести четкую грань между теми или иными типами задач школьного курса физики. Общим же для них всех (как и для задач по другим школьным предметам) является то, что они служат одним из центральных звеньев цепи, связывающей теорию с практикой.

Ядром этого звена, на наш взгляд, можно по праву считать экспериментальные задачи. С одной стороны, экспериментальные задачи включают функции, схожие с функциями формирования элементов научных знаний. С другой стороны, экспериментальные задачи выполняют функции, присущие экспериментальному методу познания. Экспериментальные задачи позволяют решать две проблемы как единую: обучение школьников решению задач и самостоятельному экспериментированию. Не случайно ряд методистов относят экспериментальные задачи к одному из видов учебного эксперимента. В методической литературе, относящейся к начальному периоду использования эксперимента в процессе решения задач, встречались различные варианты названий этого типа задач, например, "задачи-опыты", "задачи с экспериментального стола", вещественные задачи", "постановочные задачи", "экспериментальные задачи".

Однако довольно быстро за ними утвердилось последнее название, как наиболее полно и точно отражающее особенность данных задач. При этом значение и функции экспериментальных задач в учебном процессе не получили однозначного и окончательного толкования среди методистов.

Таблица1. Система учебных физических задач

В одном из первых методических пособий по методике физики (авторы Д.А.Александров и И.М.Швайченко) дается следующее определение понятия "экспериментальная задача": "К данному типу задач в широком смысле слова будем относить всякого рода задачи по физике, при решении которых в той или иной мере может быть использован эксперимент".

В главе VII этого пособия имеется специальный раздел, названный "Экспериментальный способ решения задач", где указаны два случая, встречающиеся при экспериментальном решении задач:

"1.Путем эксперимента находится окончательный ответ: например, опытное нахождение силы для равновесия груза на простейших механизмах, нахождения силы трения и т.п.

2.Путем эксперимента учащиеся находят только нужные для решения данные, а окончательный ответ получается затем вычислениями.".

Описанные авторами два случая, встречающиеся при решении экспериментальных задач, можно принять за классификацию экспериментальных задач по роли эксперимента в их решении.

В пособии для учителей и студентов "Методика преподавания физики в восьмилетней школе" под редакцией А.В.Перышкина как экспериментальные определяются "такие задачи, для решения которых школьники получают данные из опыта, протекающего на их глазах, или поставленного ими самими. Правильность решения таких задач также проверяется опытом". Авторы отводят особое место данному типу задач, говоря, что "решая их, учащиеся видят изучаемые закономерности в совершенно конкретной обстановке, в которой каждая из величин выступает реально, в действующих взаимосвязях".

Такое пристальное внимание к экспериментальным задачам со стороны методистов на ранних этапах становления методики преподавания физики как науки свидетельствует о понимании значения этого вида задач в преодолении формализма в знаниях учащихся, что имеет решающее значение для повышения результативности учебно-воспитательного процесса.

С.С. Мошков, рассматривая вопрос об использовании экспериментальных задач на разных этапах урока, предлагает вместо обычного качественного показа изучаемого явления решать количественные задачи на материале основного эксперимента урока. Заметим, что автор опускает качественный характер решения экспериментальных задач, акцентируя внимание на количественном способе их решения, что является, на наш взгляд, серьезным недостатком.

До сегодняшних дней особый интерес вызывают у учителей экспериментальные задачи качественного характера, предложенные в сборнике М.Е.Тульчинского. Автор утверждает, что "эксперимент дает ответ на вопросы задачи, но не отвечает на вопрос, почему так протекает явление".

Внимание методистов к экспериментальным задачам в последние два десятилетия также не ослабевало. Так, в методическом пособий для учителей "Методика решения задач по физике в средней школе" С.Е.Каменецкого и В.П.Орехова была выделена характерная черта данного типа задач - "использование как при выполнении лабораторного, так и демонстрационного эксперимента ". Авторы выделяют такие функции экспериментальных задач, как знакомство с методом исследования явлений природы, установление функциональной зависимости между величинами.

Несколько раньше вышел из печати сборник экспериментальных задач, используемых на олимпиадах по физике, авторов Э.А.Довнара, Ю.А.Курочкина и П.Н.Сидоровича .

С несколько иной точки зрения смотрит на экспериментальные задачи А.В.Усова, определяя их роль в формировании понятий. В своей докторской диссертации А.В.Усова определяет как экспериментальные "задачи, которые не могут быть решены без постановки опытов или измерений. Следует заметить, что иногда к экспериментальным относят задачи, которые могут быть решены без эксперимента — путем логического рассуждения или с помощью вычислительных задач, в которых эксперимент используется для проверки правильности решения или для конкретизации представлений о явлениях и процессах, описываемых в задаче. В последнем случае было бы правильнее говорить об использовании эксперимента с иллюстративной целью".

Автор выделяет особую роль экспериментальных задач в процессе уточнения признаков и разграничении понятий.

А.В.Усова в методических пособиях и дидактических материалах предлагала большое количество экспериментальных задач по различным разделам курса физики.

Анализ трудов по вопросам методики применения и решения экспериментальных задач по физике в средней школе был бы неполным, если не отметить диссертационные исследования, проведенные в этой области в последнее время. Как и большая часть публикаций на эту тему, рассматриваемые исследования направлены на развитие, в первую очередь, экспериментальных умений и навыков, необходимых для выполнения комплексов лабораторных или экспериментальных заданий.

Анализируя опубликованную литературу по вопросу методики использования и решения экспериментальных задач, мы пришли к выводу, что решение экспериментальных задач вызывает интерес у учащихся потому, что сам процесс решения задач становится для них субъективно значимым.

Применение экспериментальных задач значительно расширяет возможности вовлечения учащихся в творческую деятельность, служит хорошим средством сближения обучения с жизнью, позволяет широко варьировать работу учащихся как по содержанию, по степени сложности, так и по форме, и тем самым открывает возможность разностороннего учета индивидуальных возможностей учащихся.

Значение экспериментальных задач также в том, что их постановка способствует показу явлений природы в их взаимосвязях, так как в процессе решения экспериментальных задач изучаемая закономерность выступает в совершенно конкретной обстановке и, следовательно, в реальных взаимосвязях с окружающими явлениями.

Постановка экспериментальных задач помогает вскрыть недопонятое, ошибочно представляемое учащимися, причем задача может быть очень простой, но заставляющей учащихся выявить внутреннее понимание вопроса, а не решения других видов задач чисто формально - путем неосознанной подстановки данных в условии численных значений физических величин в "спасительную" формулу.

Заметим, что из всех учебных задач, классифицированных по способу решения, экспериментальные составляют не только один из наиболее значимых, но и наиболее широкий, полноценный класс, поскольку в большинстве случаев при их решении помимо эксперимента используются и логические, и вычислительные, и графические приемы. Такое сочетание позволяет выделить различные типы экспериментальных задач. Например, по способу подачи выделяют текстовые, задачи-рисунки, задачи-таблицы и экспериментальные задачи смешанного типа.

Все экспериментальные задачи, к какому бы из предложенных видов они не относились, обязательно подразделяются на качественные и количественные.

1. Количественными         экспериментальными задачами, - пишет С.С.Мошков, - следует называть такие задачи, решение которых осуществляется путем математической обработки данных, полученных экспериментально, в процессе их решения, т.е. уже после того как задача была поставлена".

Пример I: пользуясь мензуркой с водой, определите вес данной пробирки.

Пример 2: на столе кусочек угля. Какое количество теплоты можно получить, если полностью сжечь этот кусок угля?

2. Качественными экспериментальными задачами (или, что одно и тоже, экспериментальными задачами качественного характера) мы будем называть такие экспериментальные задачи, решение которых осуществляется без привлечения математического аппарата, путем построения логической цепочки умозаключений, приводящей к ответу на поставленный вопрос.

Примерами таких задач могут служить многие задачи-вопросы помещенные в задачниках, если их задавать не отвлеченно, не путем рассказа об установке или показа рисунков, а на конкретной вещественной установке.

Качественные экспериментальные задачи могут задаваться различно. В одном случае, показав вещественную установку, можно спросить у учащихся, что произойдет в результате определенных действий экспериментатора, и в этом случае решение задачи сводится к предвидению события, последующее осуществление которого является экспериментальной проверкой правильности решения. В других случаях учащимся предлагается не предвидеть событие, а при помощи данной установки осуществить его, т.е. в этом случае спрашивается не что будет, а как сделать?

Например: на весах установлен стакан с водой. Нарушится ли равновесие весов, если в воду погрузить карандаш и держать его в руках, не касаясь стакана?

Оборудование: рычажные весы, стакан с водой, разновесы, карандаш.

Учитель уравновешивает на весах стакан с водой и задает вопрос, заставляя учащихся тем самым предвидеть событие, объяснив его физическую сущность. Затем учитель подтверждает правильность ответа учащихся, демонстрируя явление.

На наш взгляд, выделенные условия являются важными и при подборе экспериментальных задач.

Сами по себе экспериментальные задачи не представляют единой системы, большая их часть преследует цели по обработке измерительного умения и закреплению в памяти готовых физических формул. Это формирует соответствующее отношение к экспериментальным задачам и учителей, которые считают этот вид задач чем-то похожий на своего рода кратковременное экспериментальное задание, чем на задачу, требующую большого логического анализа и получения ответов на поставленный вопрос.

Поскольку предлагаемые нами задачи строятся на основе того физического эксперимента, который применяет учитель на уроках, то при постановке и решении экспериментальных задач должны учитываться требования, предъявляемые к эксперименту вообще как к одному из важных методов научного исследования, к методике и технике его постановки. Они заключаются в следующем:

1. Перед постановкой опыта учитель должен четко сформулировать его

цель.

2. Желательно дать на доске схематический рисунок или принципиальную схему экспериментальной установки.
3. Следует разъяснить учащимся назначение и принцип действия приборов, входящих в установку.
4. Учитель должен раскрыть методику и технику выполнения эксперимента (способ наблюдения или измерения). Все элементы установки, если она демонстрационная, должны быть хорошо видны всем учащимся класса. Приборы, которыми пользуются учащиеся при выполнении индивидуальных и фронтальных упражнений должны быть просты в обращении.
5. Учителю необходимо выделить объект, на котором необходимо фиксировать внимание учащихся.
6. Как только эксперимент осуществлен, учитель беседует с учащимися о том, что они наблюдали, выявили, какие выводы сделали и т.д.
7. В заключение учитель должен сделать более широкое обобщение, привлекая к нему и учащихся, по рассмотренному на уроке эксперименту.

Выполнение указанных выше требований, предъявляемых к учебному физическому эксперименту, должно быть обязательным в процессе решения экспериментальных задач, поскольку от этого зависит правильность решения задач в целом.

1.3. Организация уроков физики с использованием экспериментальных задач

В обучении учащихся решению экспериментальных задач на уроках физики можно выделить содержательную и организационную стороны. Эти структурные составляющие являются основой для построения модели организации уроков физики с использованием экспериментальных задач, апробированной в ходе педагогического эксперимента.

В оснащение модели входят: вариант содержания тематических комплексов экспериментальных задач для обучения физике в основной и полной средней школе (§§ 2.3, 2.4, 2.5, Приложение); классификация экспериментальных задач для организации различных видов алгоритмической (следование правилам пользования приборами, правилам техники безопасности и т.д.) и поисковой познавательной деятельности учащихся по их решению (§§ 1.1, 2.3, 2.4); критерии оценивания учебных достижений и развития субъектных качеств учащихся при решении экспериментальных задач (гл.З); психологические требования и методические рекомендации по отбору задач в тематические комплексы; рекомендации по организации использования экспериментальных задач в различных элементах уроков физики различных типов.

Для постановки экспериментальных задач, как правило, достаточным является традиционное и новое лабораторное и демонстрационное оборудование, которым укомплектован типовой кабинет физики согласно нормативным требованиям к оснащенности учебного процесса. Кроме этого, для постановки ряда задач можно эффективно использовать самодельные приборы и подручные материалы, которые легко подготовить вместе с учащимися, используя набор инструментов лаборатории кабинета физики.

Использование компьютера и современной цифровой техники позволяет известные текстовые задачи поставить экспериментально. Подчеркнем, что в данном случае речь идет не об использовании компьютера для демонстрации различных моделей физических явлений, а о постановке и решении полноценных экспериментальных задач, что без помощи цифровой техники сделать на уровне общего образования практически невозможно. Например, задачи, в которых для решения нужно четко зафиксировать малые промежутки времени, можно решить, используя цифровую видеокамеру для записи быстропеременного процесса и компьютер для его просмотра и фиксации моментов времени.

В качестве примера приведем следующую задачу: рассчитать ускорение и среднюю скорость движения шарика по наклонной плоскости. В школьных задачниках и заданиях ЕГЭ эту задачу предлагают решить, используя результат «стробоскопической фотографии», приведенной на рисунке. Имея в наличии компьютер с установленным на нем программным обеспечением для обработки видео и видеокамеру, мы можем поставить данную задачу как экспериментальную. При этом учащиеся в действительности участвуют в разработке и монтаже экспериментальной установки, в формулировании условия, в решении, в анализе решения и предложениях по использованию результатов решения.

Примеры использования цифрового фотоаппарата и видеокамеры для постановки и решения экспериментальных задач приведены в §§ 2.3, 2.4.

Таким образом, экспериментальные задачи, в которых современные технические средства используются именно в таком аспекте, способствуют не только формированию у учащихся соответствующих знаний, умений и навыков, рассмотренных в § 2.1 применительно к обучению решению любых экспериментальных задач, но и навыков работы с современной техникой, а также служат повышению мотивации учащихся к активной познавательной деятельности на уроках физики и во внеурочное время.

Предлагаемые в диссертации экспериментальные задачи, объединены в тематические комплексы и соответствуют следующим психологическим требованиям к учебным задачам .

1. «Конструироваться должна не одна отдельная задача, а набор задач».

При разработке комплекса экспериментальных задач мы стремились

к тому, чтобы задачи входящие в комплекс не дублировали друг друга, а предполагали бы постепенное усложнение действий учащихся при их решении. Так как таких задач не может быть много, то каждая задача отобрана в целях максимального достижения целей выдвинутых стандартом образования для соответствующего уровня.

2. «При конструировании системы задач надо стремиться, чтобы она обеспечивала достижение не только ближайших учебных целей, но и отдаленных».

При проектировании тематических комплексов экспериментальных задач умения и навыки, полученные при решении текущих задач по теме, служат опорой при решении задач по следующим темам, подготовке к текущим и итоговым видам контроля, использовании в анализе жизненных ситуаций и научном познании окружающего мира.

3. «Учебные задачи должны обеспечить усвоение системы средств, необходимой и достаточной для успешного осуществления учебной деятельности».

На практике, как правило, используются некоторые элементы системы средств, что обеспечивает решение задач лишь одного класса, что недостаточно для решения другого класса задач. Предложенные тематические комплексы экспериментальных задач охватывают различные темы разных разделов курса физики основной и полной средней школы.

4. «Учебная задача должна конструироваться так, чтобы соответствующие средства деятельности, усвоение которых предусматривается в процессе решения задач, выступали как прямой продукт обучения»

Составленные тематические комплексы экспериментальных задач имеют такой характер, что в процессе их решения учащиеся приобретают детальные знания о конкретном реальном объекте, которые они могут использовать в дальнейшем обучении и практической деятельности. Кроме этого, при проектировании тематических комплексов экспериментальных задач предложены критерии оценки успешности решения экспериментальных физических задач, следование которым дает учащимся организационный ориентир в решении и оттеняет ценность изучения материала на уроках, предшествующих данной экспериментальной задаче.

По результатам исследования сложились следующие методические рекомендации по отбору экспериментальных задач:

• постановка задач должна соответствовать правилам техники безопасности в кабинете физики;
• тематические комплексы экспериментальных задач должны охватывать все разделы стандарта основного и полного среднего образования по физике, по которым предусмотрены умения в соответствующих целях и требованиях к уровню подготовки выпускников и имеется соответствующее оборудование, предусмотренное типовым перечнем, а также возможно изготовление и использование самодельного оборудования;
• задачи комплекса должны, как правило, отражать наиболее характерные для изучаемой темы измерения и опыты;
• необходимо учитывать возможность проведения реальных учебных экспериментов на уроке и по мере необходимости их фиксации средствами цифровой видео- и фотоаппаратуры и обработки на компьютере для организации домашней работы или работы учащихся в часы консультаций;
• необходимо учитывать рациональность временных затрат: возможность постановки опытов и решения задачи в течение времени эквивалентному максимум двум урокам при самостоятельной индивидуальной работе немотивированного ученика, включая работу на уроке, дома и на консультации;
• нужно постепенно повышать трудность задач, входящих в комплекс.

Согласование личностно и общественно значимых целей при обучении решению экспериментальных задач может быть достигнуто при использовании следующей модели организации обучения физике.

В условиях сокращения количества часов, выделяемых на изучение физики в средней школе возможно включение отдельных экспериментальных задач или комплексов задач в уроки разных типов и в различные части урока.

На основе доминирующей дидактической цели можно выделить следующие типы уроков физики:

1. изучение нового учебного материала;
2. закрепление знаний и формирование практических умений;
3. повторение и обобщение ранее изученного;
4. контроль и учет знаний;
5. комбинированный урок.

Экспериментальную задачу в структуре урока можно использовать в зависимости от его дидактических целей: она может являться основой всего урока или составной его частью, ориентированной на отработку того или иного этапа экспериментального метода исследования.

Подборка задач для постановки на экспериментальном исследовательском столе осуществлена в соответствии с приведенными методическими рекомендациями отбора экспериментальных задач в тематические комплексы. Через решение задач комплекса индивидуально, небольшими группами или фронтально проходят все учащиеся класса. Группы учитель формирует, исходя из изучения индивидуальных особенностей учащихся и целей обучения физике в данном классе.

В сочетании с содержанием тематических комплексов экспериментальных задач, организация познавательной деятельности учащихся с использованием экспериментального исследовательского стола выступает системообразующим элементом, который служит оптимизации временных затрат при включении экспериментальных задач в различные элементы уроков физики различных типов (§ 1.1). Эту находку можно уверенно рекомендовать для использования в обучении физике на уровне общего, как основного, так и полного среднего образования, на базовом и профильном уровнях.

Организационная часть данной методической модели выглядит следующим образом. Например, на уроке решения задач учитель, используя возможности экспериментального стола, может запланировать решение в течение урока экспериментальной задачи (на которую не хватает оборудования для фронтальной постановки) всеми учащимися класса. В то время как весь класс вместе с учителем решает текстовые задачи, учащиеся парами (или группами, если под экспериментальную задачу отведено несколько столов) по очереди переходят за экспериментальный стол и решают предложенную задачу. После того, как одни группы (пары) учащихся выполнили все необходимые для решения опыты и измерения, они возвращаются на свои обычные места в классе для подготовки отчета по данной задаче, их сменяют другие и т.д., до тех пор, пока все учащиеся класса не пройдут через решение запланированной на урок экспериментальной задачи.

На комбинированных уроках «экспериментальный исследовательский стол» позволяет использовать экспериментальные задачи для проверки знаний учащихся индивидуально или по группам во время опроса и письменного контроля знаний остальных учащихся; для закрепления нового материала.

При изучении или повторении очередного раздела программы курса физики экспериментальная задача возникает перед учащимися в результате совместной деятельности учителя и учащихся (§ 1.4). Иногда постановку задачи может полностью обосновывать учитель. В зависимости от характера задачи и возможностей школьного кабинета физики решение задачи может быть организовано фронтально, по группам или индивидуально.

При фронтальной работе решения, предложенные учащимися и сданные на проверку, учитель оценивает по показателю П (гл.З), и сообщает результаты оценивания учащимся на следующем уроке. После истечения времени, отведенного на решение и сдачи решений, учитель просит прокомментировать свои действия ребят, решения которых при беглом просмотре оказываются верными и наиболее рациональными. На следующем уроке после того, как ребята ознакомились с результатами оценивания их работ, предлагается работа над ошибками, если большинство учащихся не справились с решением задачи. Если не справились отдельные учащиеся, то учитель предлагает им выполнить работу над ошибками за отдельным экспериментальным исследовательским столом или приглашает их на индивидуальную консультацию. Фронтальная работа завершается составлением экспериментальных задач, на основе данного оборудования, для параллельного класса (§3.1). Эта работа оценивается по показателю К.

При организации работы в группах учащимся предоставляется возможность принимать участие в решении со своими предложениями, в обсуждении и экспериментальной проверке предложений, в разработке способов оценки достоверности полученных результатов и других обобщенных поисковых действиях (§ 2.1). При описанной организации уроков с использованием экспериментальных задач оттеняется согласование личностно и общественно значимых целей обучении.

При подведении итогов решения можно использовать поэлементный состав показателя П для выставления баллов взаимооценки учащимися. Результаты взаимооценки проверяет учитель и «конвертирует» баллы, выставленные учащимися друг другу в отметку. Групповая работа завершается составлением экспериментальных задач, на основе данного оборудования, для параллельно работающих групп (§ 3.1). Эта работа также оценивается по показателю К (§ 3.1).

При организации индивидуальной работы учащимся предоставляется возможность решить задачу и доложить наиболее рациональное решение или отдельные наиболее удачные моменты решения в классе и ответить на вопросы, одноклассников, обосновывая, в чем конкретно состояла рациональность решения.

Исследование показало, что интересной формой использования экспериментальных задач является их постановка для решения учащимися до изучения материала по новой теме. Это целесообразно осуществить в виде опережающего коллективного исследовательского домашнего задания для учащихся.

При систематическом использовании экспериментальных задач учителю необходимо запланировать время для индивидуальных и групповых консультаций по вопросам, связанным с данными задачами. Анализ передового опыта показывает, что эти консультации могут перерасти в кружок по подготовке к участию в каком-либо творческом конкурсе, например, к подготовке к экспериментальному туру олимпиады, к инициативному участию в турнире юного физика, к подготовке творческого экспериментального проекта в рамках проектно-исследовательской деятельности учащихся, проводимой, как правило, в каждой школе.

Предложенная модель организации уроков физики с использованием тематических комплексов экспериментальных задач интенсивно способствует активизации, согласно терминологии, познавательной деятельности ученика при создании мотивации, отборе интересного материала, ориентире на применение знаний, смене видов деятельности от репродуктивной, до исследовательского творческого характера.

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ

Рассмотрев сущность учебно-познавательной деятельности как одного из видов человеческой деятельности, мы пришли к выводу:

1. Основным предметом учебно-познавательной деятельности является овладение учащимися знаниями, умениями, навыками. Осуществление учебно-познавательной деятельности - это целенаправленный, систематически организуемый процесс, управляемый извне или самостоятельный.
2. Активность учебно-познавательной деятельности - одно из основных условий успешного обучения-осуществляется при условии функционирования средств активизации учебно-познавательной деятельности - содержания учебного материала, форм, методов и приемов обучения, форм организации деятельности учащихся в учебно-познавательном процессе, обеспечивающих взаимодействие деятельности учителя и учащихся, при котором воздействия учителя и стремления учеников будут адекватны конкретным целям обучения.
3. Среди всех мотивов обучения самым действенным является познавательный интерес. Проблема стимулирования у учащихся познавательного интереса, возбуждения у них внутренних стимулов познавательной активности встает перед каждым учителем в процессе его деятельности.
4. В рамках традиционной системы обучения не обеспечивается достаточно эффективное руководство учебно-познавательной деятельностью учащихся на каждом из этапов процесса обучения, в частности при решении отдельных видов задач. Поэтому активизацию учебно-познавательной деятельности учащихся мы рассматриваем как дидактическую проблему, требующую от учителя такой постановки процесса обучения, которая была бы направлена на достижение конкретных целей обучения. Эту цель, как мы полагаем, можно достичь организацией решения учащимися экспериментальных задач качественного характера, которые мы рассматриваем как одно из действенных средств формирования познавательной активности и самостоятельности учащихся в процессе их учебной деятельности, развития их познавательной интереса.
5. Экспериментальные задачи обладают большими дидактическими возможностями по обучению учащихся исследовательскому подходу к решению любых других проблем: по развитию интереса к предмету, углублению знаний, постановки их на практическую основу. Нами выделены основные функции и характер экспериментальных задач, их место в системе учебных задач.
6. Широкие возможности для повышения уровня мотивации учащихся могло бы дать учителю использование экспериментальных задач качественного характера. Качественные экспериментальные задачи могут стать для учащихся мощным стимулом развития познавательного интереса к физике, а значит, повлиять на уровень их активности в учебно-познавательной деятельности.

Остаются нерешенными следующие аспекты:

• выделение в особый самостоятельный класс экспериментальных задач качественного характера;
• создание системы качественных экспериментальных задач;
• разработка структуры деятельности учащихся по решению данного вида задач;
• разработка методики формирования умения решать качественные экспериментальные задачи.

Выделенные аспекты определили основное направление нашего дальнейшего исследования по формированию у учащихся умения решать экспериментальные задачи качественного характера в куре физики основной школы.

ГЛАВА 2. РЕШЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ  ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗНАНИЙ УЧАЩИХСЯ ПО ФИЗИКЕ

2.1. Организационная часть исследования

Результаты проведенного теоретического исследования требуют экспериментальной проверки выдвинутой гипотезы.

Содержание педагогического эксперимента предусматривало решение следующих основных задач:

1. изучение состояния проблемы использования экспериментальных задач в практике школьного обучения физике;
2. проверка эффективности использования разработанной системы экспериментальных задач в плане их влияния на качество усвоения понятий и законов, изучаемых с их применением.

В педагогическом эксперименте мы использовали методы наблюдения, проведения контрольных письменных работ.

Педагогический эксперимент осуществлялся в два этапа с января по март 2015 года и с сентября по декабрь 2016 года включал организационную деятельность и педагогический эксперимент.

На данных этапах был осуществлен организационная деятельность и педагогический эксперимент. В его задачу входило изучение состояния проблемы использования экспериментальных задач в практике работы учителей школ, выявление уровня сформированности умения учащихся решать такие задачи.

В рамках организационного эксперимента был проведен анализ экспериментальных задач, содержащихся в учебниках и методических пособиях, в результате чего была сделана оценка их методических возможностей. При этом использовались беседы с учителями, посещение уроков, проведение и обработка письменных работ.

Педагогический эксперимент осуществлялся в Налимской средней образовательной школе Среднеколымского района.

Мы сформулировали задачи предстоящего педагогического эксперимента:

1. Разработать систему экспериментальных задач по темам механики, электричества, оптики.
2. Применить метод обучения учащихся в курсе физики 9 класса.
3. По результатам анализа выявить влияние предложенного метода изучения тем  на качество знаний учащихся 9 класса по физике.

В ходе обучающего эксперимента выявлялись особенности организации и осуществления учебного процесса по решению экспериментальных задач, исследовались возможности использования этого вида задач на различных этапах урока.

В экспериментальном классе была использована система различных форм учебных занятий с привлечением экспериментальных задач, которая позволила наиболее полно реализовать дидактические функции этого вида задач в учебном процессе.

Для курса физики 9 класса была определена структура деятельности учащихся по решению экспериментальных задач, в которой выделены основные операции, выполняемые учениками при решении этого вида задач.

Нами осуществлялся следующая схема решения экспериментальных задач, позволившая определить качество выполнения операций по решению этого вида задач.

Данная схема по решению экспериментальных задач осуществлялся по следующим этапам:

• подготовить необходимые приборы.
• выполнить рисунок экспериментальной установки.
• выполнить необходимые измерения.
• записать данные в таблицу.
• решить задачу.
• определить зависимости построить график, если нужно.
• оценить погрешность.

Для определения исходного уровня сформированности умения решать задачи учащимся предлагались контрольную работу, включающую экспериментальную задачу. Был снят нулевой срез. Контрольная работа была предложена по разделу "Механика" курса физики 9 класса. Учащимся предлагалось решить две задачи.

Задача 1. Деревянную коробку массой 10 кг равномерно и прямолинейно тянут по горизонтальной доске с помощью горизонтально расположенной пружины. Коэффициент трения равен 0,4; удлинение пружины 0,2 м. Чему равна жёсткость пружины?

Задача    2.  Используя штатив с муфтой и лапкой, пружину, динамометр с пределом измерения 4 Н, линейку и набор из трёх грузов по 100 г каждый, соберите экспериментальную установку для исследования зависимости силы упругости, возникающей в пружине, от степени растяжения пружины. Определите растяжение пружины, подвешивая к ней поочередно один, два и три груза. Для определения веса грузов воспользуйтесь динамометром.

В ответе:

1) сделайте рисунок экспериментальной установки;

2) укажите результаты измерения веса грузов и удлинения пружины для трёх случаев в виде таблицы (или графика);

3) сформулируйте вывод о зависимости силы упругости, возникающей в пружине, от степени растяжения пружины.

Результаты данной работы отражены в следующей таблице.

Учащиеся справились с контрольной работой плохо. Выяснилось, что они не умеют решать задачи, а с экспериментальной задачей возникли большие трудности даже с организацией установки оборудования.

Но беседа с учениками подтвердила предположение о том, что ученики 9 класса осознают важность, значимость физических задач для формирования знаний о явлениях, законах природы, но традиционная методика использования задач по физике не обеспечивает формирование системы знаний более высокого уровня.

На наш взгляд, причина такого положения кроется в чрезмерной загруженности задач курса физики 9 класса математическими вычислениями. По-мнению учителей, недостаток учебного времени, отводимого на решение физических задач, возникает вследствие чрезвычайной сложности применяемого математического аппарата при решении вычислительных задач, поэтому практически все время приходится отводить на решение задач этого вида.

2.2 Педагогический эксперимент

Приходится констатировать снижение интереса многих категорий школьников к изучению физики в целом, и к решению физических задач в частности, в особенности экспериментальных как весьма трудоемких. Как правило, это относится к учащимся, не планирующим проходить различные виды итогового контроля и вступительных испытаний по физике, например, в форме ОГЭ, по окончании основного или полного среднего образования.

В заданиях ОГЭ и различных видов итогового тестирования на протяжении нескольких последних лет представлены наглядные задачи, предполагающие наличие у школьников определенных умений и навыков по проведению измерений, определению цены деления прибора и другие экспериментальные навыки как учебно-познавательные компетенции по физике. Эти задачи с помощью фотографий, схем и рисунков фактически имитируют экспериментальные физические задачи.

В кабинет физики НСОШ в 2015 году поступило новое оборудование Набор ГИА по физике 9 класс лаборатория L-микро., которое открывает определенные возможности по использованию этого оборудования в развитии учащихся при обучении их решению экспериментальных задач. Поэтому при проведении педагогического эксперимента в ходе исследования был замечен большой интерес учителей практиков к проблеме диссертационной работы.

Педагогический эксперимент проводился в соответствии с нормативами методологии педагогических исследований [13, 15] с последующей статистической обработкой результатов согласно традиционным методикам.

Первое знакомство учащихся с экспериментальными задачами и возможностями их решения в экспериментальных группах происходило фронтально в рамках традиционной технологии, начиная с сентября 2016 года в 9 классе.

Поясним сказанное примером. В практической части урока по теме Механика» учащимся были предложены следующие задачи:

По мере формирования экспериментальных умений и навыков учащимся предоставлялась большая самостоятельность не только в проведении измерений, но и в предложении и реализации способов рациональных измерений, повышении их точности, требовавшие проявлений исследовательских способностей и творчества.

Задачи для входного среза педагогического эксперимента и для контрольного этапа педагогического эксперимента формулировали на основе известных сборников типовых задач, в которых имеются экспериментальные задачи. Проверочные работы проводили на материалах, сконструированных из экспериментальных задач широко известных сборников задач (Обучающая система Дмитрия Гущина ОГЭ-2017), доступных как учащимся и учителям.

Для формализации обоснованности выставления оценки учащемуся за решение экспериментальной физической задачи предложено использовать следующие элементы:

- определение способа и этапов решения (0,1,2);

- отбор необходимых приборов и материалов (0,1,2);

- сбор установки (0,1,2);

- фиксация результатов опытов и измерений (0,1,2);

- запись необходимых математических преобразований и расчетов (0,1,2);

- оценка результатов измерений (0,1,2);

-объяснение (интерпретация) результатов с использованием теоретических знаний (0,1,2);

- формулирование возможных вопросов по результатам проведенного эксперимента на основе имеющегося оборудования (0,1,2).

Каждый из пунктов рекомендуется оценивать числом баллов: 0 - действие не выполнено, 1 - выполнено с помощью учителя, 2 - выполнено полностью самостоятельно.

2.3. Анализ результатов педагогического эксперимента

Результаты анализа эксперимента показали, что наибольшие затруднения возникают у учащихся на этапах составления плана решения, анализа и проверки полученных результатов. Последний этап в решении экспериментальных задач многие учащиеся исключали вообще или ограничивались записью ответа. Только неоднократное возвращение учащихся к памятке – схеме деятельности учащихся по решению экспериментальных задач - позволило выработать умение по выполнению этого действия.

В ходе обучающего эксперимента нами выяснялось также влияние предложенной методической системы экспериментальных задач на качество усвоения учащимися физических понятий, на формирование которых была направлена данная система задач.

Результаты работ по теме «Механика»

Таблица 2.1. Первый контрольный срез

Таблица 2.2. Второй контрольный срез

Таблица 2.3. Третий контрольный срез

На диаграмме видно, что учащиеся улучшили баллы к третьему контрольному срезу. Можно сделать вывод, что по мере формирования экспериментальных умений и навыков учащимся проявляли большую самостоятельность.

Результаты работ по теме «Электричество»

Таблица 2.4. Первый контрольный срез

Таблица 2.5. Второй контрольный срез

Таблица 2.6. Третий контрольный срез

На диаграмме видно, что учащиеся улучшили баллы к третьему контрольному срезу. Можно сделать вывод, что по мере формирования экспериментальных умений и навыков учащимся проявляли большую самостоятельность.

Результаты работ по теме «Оптика»

Таблица 2.7. Первый контрольный срез

Таблица 2.8. Второй контрольный срез

Таблица 2.9. Третий контрольный срез

На диаграмме видно, что учащиеся улучшили баллы к третьему контрольному срезу. Можно сделать вывод, что по мере формирования экспериментальных умений и навыков учащимся проявляли большую самостоятельность в предложении и реализации способов рациональных измерений, повышении их точности, требовавшие проявлений исследовательских способностей и творчества.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 

Таким образом, результаты проведенного обучающего эксперимента свидетельствуют о положительном влиянии использования предложенной системы качественных экспериментальных задач и предложенной методики их решения на качество усвоения знаний учащихся.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Несмотря на осознание методической значимости применения экспериментального вида задач, учителя нечасто и не системно применяют их в учебном процессе. Причины применения к курсу 9го класса заключаются в следующем: во-первых, в курсе 9го класса есть множество задач расчетного, вычислительного характера, решению которых учителям приходится отводить основное учебное время; во-вторых, экспериментальные задачи требуют больше времени и труда для их организации и постановки на уроке. В-третьих, на курсе физики 9го класса очень мало физического эксперимента, который ограничивает педагогические возможности проведению экспериментальных задач. Все эти причины влияют на снижение качества знаний.

В процессе решения экспериментальных задач наиболее глубоко раскрывается сущность физических явлений, законов и теорий; отсутствие необходимости выполнять какие-либо математические операции в процессе их решения позволяет учащимся сосредоточить свое внимание на физической сущности рассматриваемого явления; у учащихся формируется умение рассуждать, строить умозаключения.

Формирование обобщенного умения по решению экспериментальных задач – одно из основных условий успешного осуществления повышения качества знаний учащихся в учебном процессе по физике. Умения и навыки, формируемые при решении экспериментальных задач качественного характера являются обобщенными, то есть оказываются приемлемыми при решении задач других видов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзенк Г., Кэмин Л. Природа интеллекта - битва за разум. - М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2002. - 352с.
2. Антипин И.Г. Экспериментальные задачи по физике в 6 — 7 классах: Пособие для учителей. -М.: Просвещение, 1974. - 127 с.
3. Башкатова И.С. Решение экспериментальных задач качественного ха-рактера как одно из средств активизации учебно-познавательной деятельности учащихся. На материале курса физики IX класса: Дисс. ... к.п.н. - Челябинск, 1997. - 187 с.
4. Бубликов C.B. Методологические основы вариативного построения содержания обучения физике в средней школе: Дисс. ... д.п.н. - СПб., 2000. - 407 с.
5. Бубликов C.B. Методологические основы вариативного построения содержания обучения физике в средней школе: Дисс. ... д.п.н. - СПб., 2000. - 407 с.
6. Бубликов C.B., Кондратьев A.C. Методологические основы решения задач по физике в средней школе: Учеб. пособ. — СПб.: Образование, 1996.-80 с.
7. Бубликов C.B., Регель A.A., Чернышов Р.Б. Обучение решению экспе¬риментальных задач по физике как средство интеллектуального разви¬тия учащихся: Учебное пособие / Под ред. В.А. Бордовского. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена; 2007. - 84 с
8. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе: Теоре-тические основы: Учеб. пособ. -М.: Просвещение, 1981. -288 с.
9. Бутырский Г.А. Проблема использования экспериментальных задач при обучении физике в старших классах средней школы: Дисс....к.п.н. в форме научного доклада. - Киров, 1995. - 26 с.
10. Быков A.A. Формирование обобщенных экспериментальных умений учащихся на уроках физики: Дисс. ... к. п. н. - Л., 1989. - 184 с.
11. Вигнер Е. Этюды о симметрии: Пер. с англ. - М.: Мир, 1971. - 318 с.
12. Давиденко A.A. Теоретичні та методичні засади розвиткутворчихздібностейучнів у процесінавчанняфізики: Автореф. дисс. ... д.п.н. (укр.яз) - Киів,2007. -31 с.
13. Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней школе: Кн. для учителя. - 3-е изд., перераб. - М.: Просвеще-ние, 1987.-336 с.
14. Капица П.Л. Физические задачи // Эксперимент. Теория. Практика: Статьи и выступления. -М.: Наука, 1987. - С.232-238.
15. Комаров Б.А. Формирование у учащихся основ экспериментального метода исследования как средства познания явлений природы // Повышение качества обучения физике в средней и высшей школе. — Л., 1981. - С.36-41.
16. Комаров Б.А., Шишкина М.Н. Методы научного познания в современ¬ном образовательном процессе: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2008. - 195 с. и др.
17. Кондратьев A.C., Алиамани И. Методология решения физических задач // Нетрадиционное обучение физике в средней школе (Методика и тех¬нология): Межвуз. сб. научн. тр. - СПб.: Образование, 1992. - С.3—12. и др
18. Ланге В.Н. Экспериментальные физические задачи на смекалку.- М.: Наука, 1979.- 128 с.
19. Ларченкова Л.А. Основные направления развития методики решения физических задач // Физика в школе и вузе: Междунар. сб. научн. ст. - Выпуск 8. - СПБ.: Изд-во библиотеки РАН, 2008. - С. 118-124.
20. Разумовский В.Г. Развитие творческих способностей учащихся в про¬цессе обучения физике. - М.: Просвещение, 1975. - 272 с.
21. Тулькибаева H.H. Методические основы обучения учащихся решению задач по физике: Дисс. ... д. п. н. - Челябинск, 1989. - 379с

22. Усова A.B., Бобров A.A. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики. - М.: Просвещение, 1988. - 112 с.
23. Шадриков В.Д. Интеллектуальные операции. - М.: Логос, 2006. - 108 с.
24. Эпштейн Ю.Д. Олимпиады по физике как средство интеллектуального развития учащихся: Дисс. ... к. п. н. - СПб, 1998. - 158 с.