Применение цифровых лабораторий в учебном физическом эксперименте при решении качественных задач по физике

Автор: Винницкая Галина Анатольевна

Организация: МОУ «Кипчаковская СШ»

Населенный пункт: Рязанская область, Кораблинский район, с. Кипчаково

Особое место в преподавании физики занимают качественные задачи, цель которых – научить различать и объяснять физические явления и процессы, используя накопленные теоретические знания. Одно из первых определений данному классу задач дал М. Е. Тульчинский, автор известного учебного пособия: «Задача, в которой ставится для разрешения одна из проблем, связанная с качественной стороной рассматриваемого физического явления, которая решается путем логических умозаключений, основывающихся на законах физики, построения чертежа или выполнения эксперимента, но без применения математических действий, называется качественной задачей».

Качественные задачи, с одной стороны, являются важным показателем усвоения теоретических знаний по физике, с другой стороны показывают, как эти знания учащиеся способны применить в проблемной ситуации. Именно такой тип задач вызывает наибольшие затруднения у учащихся, так как в задаче нет конкретных физических величин, по которым можно подобрать подходящую формулу и получить точный количественный ответ. Все это осложняет определение учащимися темы задачи, выделение основного понятийного аппарата. В связи с этим, многие учащиеся решают качественные задачи, опираясь лишь на собственный субъективный опыт, часто приводят правильный ответ, но объяснить, как получили его, не могут.

Цель качественных задач не в формальном закреплении полученных на уроках знаний и механическом заучивании физических терминов и формул, а в разностороннем анализе явлений, законов природы. Для успешного решения качественных задач учащиеся должны эти явления и процессы представлять, а также уметь строить модели явлений и процессов.

Решение качественной задачи – это путь от явления к сущности, от того, что можно наблюдать в окружающей природе и в демонстрационном эксперименте, к теоретическим обоснованиям, и, при возможности, к практике, где опять-таки, учебный эксперимент позволяет своими глазами убедиться в обоснованности теоретических обобщений.

Мой многолетний опыт преподавания физики в школе показывает значимость физического эксперимента в решении качественных задач.

Полезность данного метода объясняется еще и тем, что, как было сказано выше, процесс решения качественных задач не является для учащихся простым. Зачастую учащимся непросто сопоставить явления и опыты, наблюдаемые на уроке, с явлениями и процессами, протекающими в окружающем мире и наоборот.

Какого же место физического эксперимента в решении качественных задач?

Обращаясь к методике решения качественных задач, можно отметить три приема их решения: эвристический, графический и экспериментальный, которые могут сочетаться, дополнять друг друга. Таким образом, физический эксперимент может выступать в качестве самостоятельного приема решения качественной задачи, при этом ответ получается быстро, и он нагляден.

Решение простой качественной задачи осуществляется пятью этапами, последний из которых – проверка ответа. Одним из способов проверки ответа может быть постановка соответствующего физического эксперимента, именно в этом случае ответ будет более убедительным.

Физический эксперимент может выступать в качестве иллюстрации условия задачи, что помогает учащимся выделить описанное в условии физическое явление, выяснить его особенности.

При обучении решению качественных задач учителю нередко приходится использовать цепочки наводящих вопросов, а возможно проведение простых экспериментов, наводящих на верное объяснение описанного в задаче физического явления.

Программным обеспечением цифровой лаборатории предусмотрено построение графиков физических процессов в реальном времени. Готовясь к уроку, учитель имеет возможность провести эксперименты с построением графиков, составить по полученным графикам вопросы и задачи, в том числе и качественные.

Таким образом, даже простейшие эксперименты дают возможность глубже проанализировать те физические явления и закономерности, которые описаны в условии задачи.

Какие же возможности и преимущества цифровой лаборатории в проведении демонстрационного эксперимента?

Преимущество цифровых лабораторий по сравнению с традиционным оборудование по физике состоит в том, что их использование способствует увеличению технологической базы эксперимента в отличие от классического.

Рассмотрим особенности использования цифровой лаборатории при изучении темы «Тепловые явления» в 8 классе. Поскольку тепловые явления – это явления, связанные с изменением температуры, то обратим внимание на преимущества использования датчика температуры по сравнению с лабораторным термометром.

Программное обеспечение цифровой лаборатории позволяет просматривать данные, получаемые с датчика температуры, выводить их на экран. Согласитесь, показания термометра при проведении фронтального эксперимента учащимся не видны.

Датчик температуры в отличие от термометра позволяет фиксировать даже небольшие изменения температуры.

Датчик температуры способен проводить измерения температур в гораздо большем диапазоне. Особенно повезло тем, у кого в составе цифровой лаборатории оказался датчик высокой температуры, который предназначен для изучения структуры пламени и измерения высоких температур в опытах с нагревом, охлаждением и плавлением.

Программное обеспечение цифровой лаборатории предназначено и для построения графиков в реальном времени, что позволяет учителю осуществлять на уроках работу по обучению учащихся работе с графической информацией.

Сохранение результатов работы на компьютере позволяет, при необходимости, неоднократно возвращаться к полученным данным, использовать их в распечатанном виде как раздаточный материал и др.

Цифровая лаборатория позволяет измерять результаты нескольких процессов одновременно, так как предусмотрена связка датчиков, изучать быстро протекающие процессы и занимающие продолжительные отрезки времени – нагревание, плавление (режим «Сеанс автономной работы»), сокращать время измерений, получать более точный результат.

Таким образом, возможности цифровой лаборатории могут значительно расширить спектр физических экспериментов, направленных на обучение учащихся решению качественных задач.

Ниже приведены примеры качественных задач по теме «Тепловые явления» в 8 классе, с описанием физического эксперимента с использованием цифровой лаборатории и его роли в решении каждой конкретной задачи.

 

Таблица 1.

Учебный физический эксперимент в решении качественных задач

 

Качественная задача	Описание эксперимента	Роль эксперимента в решении задачи
Почему после сильного шторма вода в море становится теплее?	Налить в пробирку 10-15 г воды, закрыть плотно пробкой и обернуть бумагой (для уменьшения теплопроводности), измерить начальную температуру воды, энергично встряхивать пробирку в течение 1-2 минут, вновь измерить температуру.	Проверка ответа.
Если кусок алюминиевой проволоки расклепать на наковальне или быстро изгибать в одном и том же месте, то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается. Объясните явление.	Измерить температуру алюминиевой проволоки в месте изгиба.	Иллюстрация условия задачи.
Алюминиевая кружка с горячим чаем обжигает губы, а фарфоровая нет. Объясните почему?	В алюминиевый сосуд и фарфоровую чашку налить воды одинаковой температуры. Измерить температуру алюминиевого сосуда и фарфоровой чашки.	Эксперимент, подводящий к решению задачи
В какой одежде в холод холоднее, а в жару теплее: в шерстяной или сделанной из синтетической ткани? Почему?	Опыт по сравнению теплопроводности различных тканей. В два одинаковых стакана налить горячую воду равной массы и температуры. Температуру воды в стаканах измерить. Затем один стакан накрыть шерстяной тканью, другой – синтетической. Изменение температуры воды в каждом стакане контролировать датчиками температур.	Проверка ответа.
Если пробирку с водой, взятой при 00С, нагревать в верхней ее части, то воду вверху можно даже довести до кипения, в то время как в нижней части пробирки вода долгое время будет оставаться холодной. Объясните почему.	Налить воду в пробирку и нагревать ее верхнюю часть. Измерить температуру пробирки в верхней и нижней части с помощью датчика температуры.	Иллюстрация условия задачи.
Если в комнате окно имеет щель, то из нее сильно дует. Однако зимой мы чувствуем, как дует от окна, рама которого закрыта так плотно, что наружный воздух не может проходить сквозь щель. Почему же дует от закрытого окна?	Решение экспериментальной задачи: изобразить конвекционные потоки в кабинете при открытой форточке. Учащимся выдаются схематические рисунки кабинета. Производятся измерения температуры воздуха в различных местах кабинета при открытой форточке: под окном, у стены, вверху. Учащиеся подписывают значения температур на рисунке, схематически изображают конвекционные потоки.	Решение экспериментальной задачи
Рядом с большим вспаханным полем находится лес. Сделайте схематический рисунок воздушных потоков, возникающих в этом районе в теплый солнечный день, учитывая, что поверхность вспаханной земли значительно сильнее нагревается лучами солнца, чем листва деревьев.
В каком случае горячая вода в стакане охладится больше: если в него опустить алюминиевую ложку или такую же железную.	В два стакана налить горячую воду равной массы. Измерить температуру воды в стаканах. Поместить в стаканы тела равной массы, изготовленные из железа и алюминия, имеющие комнатную температуру. Изменение температуры воды в каждом стакане контролировать датчиками температур. Получить графики процессов.	Проверка ответа
Два одинаковых стальных шарика, нагретых до одной и той же температуры, опустили: один – в стакан с водой, другой – в стакан с таким же количеством масла. Что нагреется до более высокой температуры – стакан с водой или стакан с маслом?	Два одинаковых стальных шарика, нагретых до одной и той же температуры, опустить: один – в стакан с водой, другой – в стакан с таким же количеством масла. Измерить температуру воды и масла.	Проверка ответа
Влияет ли ветер на показания термометра?	Смочить датчик температуры водой. Подуть на датчик из воздуходувки. Наблюдать за изменением показаний датчика температуры. (Можно просто размахивать датчиком из стороны в сторону).	Иллюстрация условия задачи. Проверка ответа
Вода в бутылке, завернутой в мокрую тряпку, особенно на сквозняке, имеет температуру ниже, чем температура окружающего воздуха. Почему?	Поместить датчик температур внутрь бутылки с водой, завернутой в мокрую тряпку. Обдувать бутылку из воздуходувки. Следить за показаниями датчика температуры. Получить график изменения температуры воды.	Иллюстрация условия задачи. Проверка ответа
По графикам нагревания, полученным с помощью цифровой лаборатории, определить, у какого из веществ больше удельная теплоемкость.	Учитель заранее проводит опыт по нагреванию двух различных веществ, с помощью цифровой лаборатории получает два графика зависимости температуры веществ от времени нагревания.	Графическая задача на основе реального эксперимента
Какая доска на ощупь кажется более холодной: сухая или влажная, если температура досок одинакова и равна комнатной? Ответ поясните.	Измерить температуру воздуха в классе, температуру сухой и влажной досок.	Иллюстрация условия задачи.
В одинаковые калориметры налили одинаковое количество воды и спирта, первоначальная температура которых равна 25 °С. Будут ли отличаться (и если будут, то как) показания термометров в воде и спирте через некоторое время? Ответ поясните.	В одинаковые калориметры налить одинаковое количество воды и спирта, первоначальная температура которых равна 25 °С. Через некоторое время измерить температуры жидкостей.	Экспериментальная качественная задача
Стакан наполовину заполнен кипятком. В каком случае вода остынет в большей степени: 1) если подождать 5 минут, а потом долить в стакан холодную воду; 2) если сразу долить холодную воду, а затем подождать 5 минут?	Два стакана наполовину заполнить кипятком. В первый сразу долить холодную воду, а затем подождать 5 минут и измерить температуру воды. Во второй стакан долить холодную воду, подождав 5 минут, измерить температуру воды во втором стакане.	Проверка ответа
Поместите датчик температуры над свечой на расстоянии 7 см, поместите датчик температуры сбоку от пламени свечи на том же расстоянии. Что наблюдаете? Почему?	Поместить датчик температуры сбоку от пламени свечи на расстоянии 7 см, измерить температуру воздуха. Поместить датчик температуры на том же расстоянии над свечой, измерить температуру воздуха.	Экспериментальная качественная задача

Как мы видим из примеров, именно цифровые лаборатории расширяют спектр экспериментов, которые можно проводить при решение качественных задач.

Однако возможности использования цифровых лабораторий в немалой степени определяются количеством датчиков, входящих в состав лаборатории, наличием необходимого сопутствующего оборудования, количеством ноутбуков с программным обеспечением.

Другим ограничением являются возрастные особенности учащихся, связанные со способностью обработки информации, представленной в ее различных видах.

Также не следует забывать о целесообразности замены традиционно используемых измерительных приборов на цифровые. Последние в силу своего принципа действия не позволяют полноценно формировать практические навыки и экспериментальные умения учащихся.

Учет рассмотренных факторов требует от учителя проведения педагогического анализа возможностей применения комплекта цифровой лаборатории для осуществления разумности в применении приборов, входящих в ее состав.

 

Список источников

1. Марон Е.А., Марон А.Е. Сборник качественных задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. – СПб.: ООО «Виктория плюс», 2018. – 256 с.

2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике: 7-9 кл.: к учебникам А.В. Перышкина и др. «Физика. 7 класс», «Физика. 8 класс», «Физика. 9 класс». ФГОС (к новым учебникам)/ А.В. Перышкин; сост. Г.А. Лонцова. – 28-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательство «Экзамен», 2021. – 271 с.

1. file0.doc (66,5 КБ)

Опубликовано: 05.08.2024