Технология совместных экспериментальных исследований учителя и ученика

Технология совместных экспериментальных исследований учителя и ученика

«Выживает не самый сильный, не самый умный,

а тот, кто лучше всех откликается

на происходящие изменения».

Чарльз Дарвин

В стандарте второго поколения сформулированы новые типы планируемых результатов обучения: проведение исследований и проверка гипотез. Преобразование фронтальной работы в исследование, цель которого определяет ученик – главная задача перестройки фронтального эксперимента. Требования к уровню подготовки выпускников:

Использовать физические приборы и измерительные инструменты для измерения физических величин;

Представлять результаты измерений с помощью таблиц и на этой основе выявлять эмпирические зависимости.

Учащиеся должны научиться выполнять опыты, проводить простые экспериментальные исследования, обрабатывать результаты измерений и представлять их с помощью таблиц, формул, выдвигать гипотезы, обнаруживать зависимости между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы.

Технология совместных экспериментальных исследований подразумевает две основные формы образовательной деятельности:

первая - исследовательская – решение задачи с заранее неизвестным результатом, осуществляемое на основе наблюдений, описаний, экспериментов и анализа полученных данных. Точный результат исследовательской работы для школьников неизвестен, хотя общие тенденции следуют из известных законов и правил.

Важным элементом учебного исследования является гипотеза.

Примерами таких работ могут служить в 7 классе: «Определение отношения массы к объему вещества» в теме «Плотность», «От чего зависит сила трения», Способы увеличения и уменьшения давления», «От чего зависит сила Архимеда», «Исследование зависимости силы упругости от удлинения пружины», 8 класс: «Изучение свойств зеркального отражения», «Зависимость испарения от температуры жидкости», «Исследование изменения со временем температуры остывающей воды», «Определение электропроводности веществ, из которых состоят предложенные тела», «Исследование зависимости угла отражения от угла падения света», «Исследование зависимости угла преломления от угла падения света», 9 класс: «Определение центра тяжести плоской пластины», «Зависимость силы, действующей на проводник с током от направления линий магнитного поля», 10 класс: «Изучение закона Бойля-Мариотта». «Опытная проверка уравнения состояния воздуха».

Вторая форма – экспериментальная – постановка эксперимента, иллюстрирующего известные в науке законы и закономерности. Конкретный результат эксперимента, как правило, зависит от исходных условий.

Предлагаю вашему вниманию фрагмент урока в 11 классе по теме «Закон Ома».

Учитель: Существуют три физические величины, с которыми мы имеем дело в любой электрической цепи – это сила тока, напряжение и сопротивление.

На сегодняшнем уроке нам необходимо решить следующую задачу: выяснить, как зависит сила тока на участке цепи от приложенного напряжения и величины сопротивления одновременно. Это является главной целью нашего урока.

Итак, работу на сегодняшнем уроке будем проводить по этапам.

- Сначала установим зависимость силы тока от напряжения на опыте, запишем математически эту зависимость.

- Второй этап будет состоять в установлении зависимости между силой тока и сопротивлением, при постоянном напряжении; запишем результаты в таблицу, сделаем вывод о характере этой зависимости.

- На третьем этапе мы совместно сделаем общий вывод о том, как зависит сила тока одновременно от напряжения и сопротивления, т.е. решим основную задачу урока.

Учитель: Соберем электрическую цепь, состоящую из источника тока, резистора, реостата, ключа, амперметра, соединив все последовательно (учитель показывает приборы, называет их, собирает электрическую цепь, слушатели проделывают те же действия). А теперь подключим к резистору вольтметр параллельно (учитель показывает, слушатели подключают). Обязательно соблюдаем технику безопасности при работе с электрическими приборами!

Учитель: Для начала исследуем зависимость силы тока в цепи от напряжения. Замкнем цепь и зафиксируем в протоколах значения силы тока, которое показывает амперметр и напряжения, которое показывает вольтметр. Сопротивление цепи при этом остается неизменным.

(Слушатели делают измерения, называют значения и записывают их в протокол исследования)

Учитель: А теперь изменим силу тока в цепи, тем самым, изменив напряжение в цепи, и снова зафиксируем значения амперметра и вольтметра.

(Слушатели делают измерения, называют значения и записывают их в протокол исследования)

Учитель: Какой вывод мы можем сделать из первого эксперимента?

Слушатели: Сила тока в цепи изменяется прямо пропорционально напряжению.

Учитель: Правильно! Запишем этот вывод в наши протоколы. Конечно, для установления точной зависимости необходимо сделать минимум три опыта.

Учитель: А теперь изобразим эту зависимость на графике. Конечно, можно было бы остановиться и на математической записи полученного выражения. Но, мой опыт работы показывает, что ученики лучше воспринимают тот материал и те факты, которые они наблюдают визуально, т.е. в картинках и графиках. Мы очень часто на уроках устанавливаем графические зависимости физических величин, чертим графики законов физики, учимся их читать.

Учитель: Далее исследуем зависимость силы тока в цепи от сопротивления проводника. Для этого вернем начальные параметры электрической цепи и запишем в протоколы значения силы тока и сопротивления.

(Слушатели делают измерения, называют значения и записывают их в протокол исследования)

Учитель: А теперь поменяем сопротивление проводника в цепи, заменив резистор. Напряжение в цепи остается неизменным. Не забудьте предварительно разомкнуть электрическую цепь! И снова запишем в протокол показания амперметра.

(Слушатели делают измерения, называют значения и записывают их в протокол исследования)

Учитель: Какой вывод мы можем сделать из второго эксперимента?

Слушатели: Сила тока в цепи изменяется обратно пропорционально сопротивлению проводника.

Учитель: Правильно! Запишем этот вывод в наши протоколы.

Учитель: Каким способом мы фиксируем результаты?

Слушатели: Визуальным - наблюдение и описание результатов наблюдения.

Учитель: Представьте отчет в устной форме – вывод по результатам эксперимента.

Слушатели:

1. Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

2. Сила тока прямо зависит от величины напряжения.

Учитель: Обобщим выводы в один

Слушатели: Сила тока в цепи больше, если сопротивление меньше, а напряжение больше.

Учитель: Это и есть закон Ома - основной закон постоянного тока на участке цепи. Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. Запишем формулу закона в наши протоколы.

https://www.walter-fendt.de/html5/phru/ohmslaw_ru.htm

Учитель: Когда Георг Симон Ом положил на стол ректора Берлинского университета свою диссертацию, где впервые был сформулирован этот закон, без которого невозможен ни один электротехнический расчет, он получил весьма резкую резолюцию. В ней говорилось,  что электричество не поддается никакому математическом описанию, так как электричество 
- собственное бушевание тела, которое проявляется в каждом теле, когда его раздражают. Получив свою знаменитую формулу Ом пишет статью, содержащую результаты экспериментальных исследований в области электрических явлений. Но она не произвела впечатления на ученых. Никто из них даже не мог предположить, что установленный Омом закон электрических цепей представляет собой основу для всех электротехнических расчетов будущего.

Его работу хорошо приняли в Германии. Однако за рубежом, особенно во Франции, Англии, работы Ома долгое время оставались неизвестными. Раньше всех из зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков, 5 мая 1842 года Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом. Ом стал лишь вторым ученым Германии, удостоенным такой чести.

Через 10 лет после появления его работы французский физик Пулье на основе экспериментов пришел к таким же выводам. Любопытно, что французские школьники и поныне изучают закон Ома под именем закона Пулье.

Очень эмоционально отозвался о заслугах немецкого ученого его американский коллега Дж Генри "Когда я первый раз прочел теорию Ома, - писал он, - то она мне показалась молнией, вдруг осветившей комнату, погруженную во мрак".

О значении исследований Ома точно сказал профессор физики Мюнхенского университета Е. Ломмель при открытии памятника ученому в 1895 году «Открытие Ома было ярким факелом, осветившим ту область электричества, которая до него была окутана мраком. Ом указал единственно правильный путь через непроходимый лес непонятных фактов. Замечательные успехи в развитии электротехники, за которыми мы с удивлением наблюдали в последние десятилетия, могли быть достигнуты только на основе открытия Ома. Лишь тот в состоянии господствовать над силами природы и управлять ими, кто сумеет разгадать законы природы. Ом вырвал у природы так долго скрываемую тайну и передал ее в руки современников».

Исследовательская деятельность предполагает совместный творческий процесс учителя и ученика по поиску вариантов решения тех или иных проблем, задач. Учитель может подсказать и новые источники информации и может просто направить мысль учеников в нужном направлении. Деятельность учителя включает следующее:

-обеспечение учащихся необходимыми знаниями по организации исследований;

-активизация учащихся к нахождению путей достижения цели;

-выяснение того, какое оборудование необходимо для работы;

-обучение учащихся тому, как надо формулировать выводы, делать обобщения по результатам исследований.

Существующее в настоящее время соотношение рыночных цен и финансовых возможностей образовательных учреждений, как правило, не позволяет приобрести лабораторные установки в необходимом количестве. Один из путей решения данной проблемы заключается в дублировании реальных физических установок их компьютерными имитаторами. В этом случае учебная физическая лаборатория в минимальной комплектации включает по одному экземпляру лабораторных установок различных типов и пять компьютеров. Реальную лабораторную установку имитирует системный блок компьютера. Его клавиатура превращается в пульт управления, а монитор совмещает роль цифровых индикаторов измерительных приборов с ролью телеэкрана, позволяющего наблюдать работу имитируемой установки.

Компьютерные имитаторы обеспечивают:

• моделирование изучаемых физических явлений, систематических и случайных погрешностей;

• визуализацию лабораторных установок и динамики их работы в реальном или машинном масштабе времени;

• изменение в широком диапазоне и диалоговом режиме технических характеристик установок и параметров проводимых экспериментов.

• Их использование в учебном процессе позволяет:

• организовать лабораторный практикум фронтальным методом, при котором
  вся учебная группа одновременно выполняет работы на одну и ту же тему;

• организовать лабораторный практикум в системе дистанционного обучения;

• минимизировать финансовые затраты, учитывая соотношение цен на компьютеры и мелкосерийно производимое лабораторное оборудование.

Практика показывает, что наибольший педагогический эффект достигается в том случае, когда каждый учащийся имеет возможность часть работы (то или иное конкретное задание) сделать на натурной установке, а другую часть - на компьютере.

Закон Ома для участка электрической цепи

(протокол исследования)

Физические величины:

I – сила тока, А (Ампер)

U – напряжение, В (Вольт)

R – сопротивление, Ом