Камионко Е.В. Организация исследовательской деятельности учащихся по физике

Целью такой работы является развитие творческих способностей, формирование исследовательской компетентности учащихся. Известно, что свойства личности и интерес развиваются лишь в процессе деятельности. Причём развитие мышления происходит в прямой зависимости от характера познавательных задач, которые приходится решать. Исследовательская деятельность в связи с этим является очень важной и полезной. Ежегодно ею под моим руководством занимаются от 15 до 20 учащихся, объединённых в научное общество (его мы организовали 8 лет назад).
Работа учащегося начинается с выбора темы. Выбор темы — непростое дело. Важность его ребята осознали, сделав вывод из следующей притчи: «...Одного древнего мудреца спросили, почему он во всём сомневается и так часто задаёт вопросы. В ответ он нарисовал на песке два круга — большой и малый, а потом пояснил: малый — ваш круг знаний, большой — мой круг знаний. А остальное — сфера незнания. У кого граница соприкосновения знания с незнанием больше, тот и чаще сомневается».
Мы поняли, что чем больше будем знать, тем больше у нас будет возникать вопросов, а соответственно — тем для исследований.
Вначале определяем, какое явление нас интересует; затем изучаем имеющуюся по данному вопросу литературу. После того как тема выбрана, всё происходит в соответствии со схемой научного поиска. Формулируется и обосновывается гипотеза. Как показывает опыт, выдвижение и обоснование гипотезы вызывает у ребят серьёзные затруднения. Вот почему формированию этого умения я уделяю немало времени на уроках.
Умение самостоятельно формулировать и обосновывать гипотезу необходимо и для осуществления следующих этапов эксперимента: определения условий выполнения опыта, его проектирования, анализа результатов опыта и формулировки выводов. Это объясняется логической зависимостью и взаимообусловленностью всех структурных элементов любого исследования.

 

Первой работой нашего физического научного общества было исследование процесса роста и изучение свойств кристаллов. Почему мы решили заняться кристаллами? Во-первых, они очень красивы. Люди интересовались ими давно: тщательно исследовали, старались понять механизм их роста, описывали их необычные формы. А главное — кристаллы являются основной формой существования твёрдых тел.
На первом этапе мы поставили цель — вырастить правильные кристаллики различных веществ. Как известно, большой совершенный кристалл (в несколько сантиметров) можно вырастить лишь в лаборатории, используя сложную аппаратуру. Но вырастить даже небольшой правильный кристаллик — искусство.
Вначале мы не без труда совместно вырастили кристаллик медного купороса. Затем каждый ученик получил индивидуальное задание. Кто-то растил кристаллик соли, кто-то сахара и т. д. В итоге, мы вырастили достаточно правильные кристаллики медного купороса, соли, сахара, алюмо-калиевых и хромокалиевых квасцов, сернокислого никеля, гипосульфита, соды, борной кислоты, лимонной кислоты, марганце-во-кислого калия.
Можно было на этом остановиться, но в процессе работы у ребят стали появляться вопросы типа «Где быстрее вырастет кристалл — в шкафу или холодильнике?», «В каких условиях он вырастет больше?». Мы решили не останавливаться на сделанном и заняться исследованием зависимости роста кристаллов от различных факторов. Каждый учащийся выбрал тему будущего исследования. Дети предложили следующие темы:
•    Исследование зависимости роста кристалла от концентрации раствора.
•    Исследование зависимости роста кристалла от величины затравки.
•    Исследование зависимости роста кристалла от температуры.
•    Исследование зависимости роста кристалла от ориентации затравки в магнитном поле Земли.
•    Исследование зависимости роста кристалла от положения затравки (можно выращивать, подвесив или положив на дно).
•    Исследование зависимости роста кристалла от внешнего постоянного магнитного поля.
•    Исследование зависимости роста кристалла от влияния полей, создаваемых постоянным электрическим током.
•    Исследование роста кристалла в переменном электрическом поле.
•    Исследование возможности использования в качестве затравки кристаллика другого вещества.
•    Эксперимент по выращиванию смешанных кристаллов.
•    Исследование зависимости твёрдости кристалла от направления.
•    Исследование прочности кристалла от направления.
•    Исследование теплопроводности кристалла от направления.
•    Исследование способности кристалла восстанавливать свою форму.
•    Исследование возможности кристалла самоограняться.
Практически у каждого ученика была своя тема исследования. Далее работали в соответствии со схемой научного поиска. Формулировалась и обосновывалась гипотеза, которую можно было положить в основу эксперимента. Например, приступая к исследованию зависимости роста кристалла от температуры, предположили, что чем ниже температура, тем больше вырастет кристалл, что обусловлено зависимостью концентрации раствора от температуры.
Затем выяснялись условия, необходимые для достижения цели эксперимента (в нашем случае температура окружающей среды должна была быть различной, поэтому один кристаллик мы растили в холодильнике, а другой — в шкафу при прочих равных условиях).

 

Планирование эксперимента раскрывало следующие вопросы:
а) какие наблюдения провести (в нашем случае необходимо было обратить внимание на форму выращиваемого кристалла);
б) какие величины измерить (измеряли массу кристалликов);
в) приборы и материалы, необходимые для опыта;
г) ход опыта;
д) форма записи результатов эксперимента.
Производился отбор необходимых приборов и материалов, сборка установки. Затем выполнялся эксперимент, сопровождавшийся наблюдениями, измерениями и записью их результатов. Проводилась математическая обработка результатов эксперимента и формулировались выводы. Всё это отражалось в отчёте о работе.

 

Проведение экспериментов требует осуществления мыслительных операций (анализ, индукция, синтез), так как постоянно приходится решать творческие задачи:
•    какие параметры величин нужно менять в процессе проведения опытов;
•    где причина, а где следствие;
•    как регистрировать происходящие перемены;
•    какие выводы следуют из опытов;
•    каким должен быть отчёт о работе.

 

Следующее наше исследование было связано с установление временных изменений интенсивности вторичного космического излучения. Эта работа — также плод коллективного творчества.
Начиная эксперимент, мы знали, что интенсивность космических лучей у поверхности Земли зависит от солнечной активности и угла с вертикалью. Занимаясь исследованием зависимости интенсивности космического излучения от угла с вертикалью, мы обнаружили её изменение с течением времени при отсутствии магнитных бурь и решили заняться изучением временных изменений космических лучей.
Вначале выдвинули предложение о зависимости интенсивности космических лучей от величины атмосферного давления; температуры воздуха; прохождения атмосферных фронтов; времени суток; времени года.
Затем рассуждали следующим образом: прохождение атмосферных фронтов не может оказать существенного влияния на интенсивность космических лучей, так как энергия частиц при этом увеличивается незначительно, а время жизни М-мезона зависит от его энергии. М-мезоны, как известно, составляют основу излучения, достигающего поверхности Земли. Известно также, что солнечная компонента составляет лишь несколько процентов от всего космического излучения. В результате анализа мы пришли к мысли, что вариации космических лучей с течением времени связаны главным образом с колебаниями температуры и атмосферного давления, что и решили проверить.
Далее, как и в первой работе, планировался эксперимент, собиралась установка для регистрации частиц. Затем проводился эксперимент, который сопровождался необходимыми измерениями. Мы подсчитывали число частиц космического излучения, пришедших в течение 15 мин, потом находили интенсивность космического излучения (част/мин). Параллельно определяли температуру воздуха и атмосферного давления. Замеры производили в 12 часов дня ежедневно в течение трёх месяцев. Сведений о хромосферных вспышках на Солнце мы не нашли. Воспользовались сообщениями в печати о магнитных бурях. Известно, что они вызываются потоками высокоскоростных частиц, выброшенных из атмосферы Солнца после солнечных вспышек и достигающих орбиты Земли через 12-24 часа.
Результаты измерений и их математической обработки мы представили в виде таблиц. После этого попытались сделать вывод о правильности гипотезы. Это нам не удалось. Тогда решили построить графики зависимости от времени атмосферного давления, температуры и интенсивности космического излучения в одних координатных осях. Анализ графиков позволил сделать вывод, подтверждающий гипотезу.

 

В такой же последовательности выполняли и другие работы:
•    Исследование влияния солнечной активности на состояние здоровья человека.
•    Влияние постоянного тока на рост, развитие и продуктивность растений.
Изучая влияние солнечной активности на состояние здоровья человека, мы ежедневно в течение месяца в одно и то же время оценивали состояние здоровья восемнадцати человек (считающих себя здоровыми и имеющих хронические заболевания) по следующим параметрам: общее самочувствие, простудные заболевания, головная боль, сердечные боли, боль в суставах, апатия, раздражительность. При этом измерялись артериальное давление, температура тела, частота дыхания, частота пульса, время реакции. Параллельно проводились измерения интенсивности космического излучения (вспышки на Солнце приводят к возрастанию интенсивности), атмосферного давления и температуры воздуха.
Анализируя результаты эксперимента, учитывали, что состояние здоровья человека зависит от комплекса погодных, геофизических и космических факторов (причём не столько самих по себе, сколько от факта их резкого изменения) и то, что это воздействие могут усиливать или ослаблять социальные, бытовые и производственные условия.
После проведения соответствующих расчётов для каждого человека были заполнены таблицы, содержащие сведения:
•    о доле дней с той или иной патологией состояния здоровья в числе дней, неблагоприятных в геомагнитном отношении;
•    о доле дней с параметрами состояния здоровья большими и меньшими среднемесячных в числе неблагоприятных в геомагнитном отношении дней, а также об относительных изменениях параметров в эти дни.
Для каждого участника эксперимента были построены графики, показывающие, как изменялись систолическое и диастолическое давления, частота дыхания, частота пульса и время реакции в течение месяца. Из графиков и таблиц было видно, как реагирует человек на изменение космических факторов. После консультации с врачом каждому участнику эксперимента были даны рекомендации, что необходимо делать, чтобы снизить влияние солнечной активности на его здоровье.

 

Выполняя работу «Влияние постоянного электрического тока на рост, развитие и продуктивность растений», мы прежде всего познакомились со строением растительной клетки, происходящими в ней электрическими процессами, условиями возникновения и распространения потенциала действия и явлениями, которые он вызывает. Учащиеся предположили, что причиной его возникновения, наряду с механическим воздействием, изменением температуры, облучением и т. п., может быть и внешнее приложенное электрическое напряжение.
Выполнив соответствующий эксперимент, пришли к выводу, что здесь приемлемы только очень малые токи. Придумали, как их получить. Взяли две пластины — медную и цинковую. Вертикально врыли их в землю. Увлажнив почву с её солями, получили гальванический элемент.
В каждой пластине по углам пробили отверстия и вставили медную проволоку. Проволока не провисала и не касалась земли. Таким образом, мы замкнули цепь, поэтому по ней пошёл ток, в том числе и по внутренней части гальванического элемента.
Эксперимент проводили с редисом, кресс-салатом, огурцами и черенками винограда.
В результате пришли к выводу, что постоянный ток малой силы положительно влияет на рост, развитие и продуктивность редиса, а также на укоренение черенков винограда.
Огурцы на «электрической» грядке не взошли вообще. В скорости роста и развития кресс-салата отличий выявлено не было.
Итак, все выполненные нами работы требовали применения системы логических действий и операций, решения творческих задач, а значит, способствовали развитию творческого мышления и творческой активности учащихся. Разумеется, это благоприятно влияет на формирование у школьников научного мировоззрения.