Осипенко Л.Е., Пролиско Т.С. Формирование представлений школьников об эксперименте

Цель данной статьи – продемонстрировать один из возможных путей уменьшения пробелов в знаниях учащихся об эксперименте как методе научного познания.

На первой стадии обучения физике из нее надо исключить все,
кроме экспериментальной стороны, представляющей наглядный интерес.
Красивый эксперимент сам по себе гораздо ценнее,
чем двадцать формул, добытых в реторте отвлеченной мысли.
А. Эйнштейн

В настоящее время усиливается внимание ученых, методистов к различным аспектам проблемы активизации познавательной деятельности учащихся, направленной на самостоятельное приобретение знаний. На это ориентирует школу новое содержание образования, стандарты, программы и учебники. В частности, в качестве основных целей обновленного содержания образования по физике на 2005/2006 учебный год признано «формирование у школьников представлений о методах научного познания» [3, с. 2].

Среди методов в науке эксперимент давно и прочно занимает ведущее место, что нашло отражение и в школьном обучении. Формирование представлений школьников об эксперименте как методе научного познания на уроках физики происходит в основном при выполнении ими лабораторных работ. Однако, как уже неоднократно отмечалось, в массовой школе при использовании стандартных методик экспериментальные умения формируются у учащихся крайне медленно. Их экспериментальная деятельность носит, как правило, частный и весьма ограниченный характер [1; 2; 6; 8]. Результаты проведенного нами исследования показали, что только 10 % обучаемых смогли полно и практически правильно провести все операции, входящие в эксперимент.

Цель данной статьи – продемонстрировать один из возможных путей уменьшения пробелов в знаниях учащихся об эксперименте как методе научного познания.

Первый шаг на пути формирования любой деятельности – выделение ее «идеального» содержания. Как показал анализ работ [1; 4; 6], эксперимент обычно протекает в следующей последовательности.

1. Предварительное накопление знаний об объекте исследования. (Данный этап чаще всего является результатом подготовительного целенаправленного наблюдения за объектом исследования в естественных условиях[1].)

2. Уточнение фактов, процессов, явлений, требующих объяснения. (Сначала думай, а потом делай.)

Выдвижение гипотезы, объясняющей наблюдаемые факты, процессы, явления. (Очень важно, чтобы учащиеся поняли, что за каждым опытом стоит теория, гипотеза, модель, требующая проверки. Еще Д.И. Менделеев отмечал, что при построении опыта во главе дела стоит соображение, которым и определяется само стремление делать опыты. При этом особо следует обращать внимание учащихся на структуру гипотезы «Если..., то...».)

3. Разработка программы эксперимента с целью проверки гипотезы. (Не скроив, не сошьешь.)

4. Осуществление эксперимента несколько раз в соответствии с намеченным планом. (С двумя якорями безопасней плыть.)

5. Обработка результатов эксперимента. (Чего не поищешь, того не сыщешь.)

6. Теоретическое осмысливание и обобщение результатов эксперимента. (Тот, кто не думает снова, не может думать правильно.)

7. Выводы. (Начиная дело, о конце помышляй.)

Опыт нашей работы показал, что формирование представлений школьников об эксперименте как методе научного познания можно начинать даже с детского сада [7]. В качестве примера на простом опыте продемонстрируем учащимся наличие земного притяжения и воздуха. Возьмем лист плотной бумаги в форме прямоугольника размером 20x5 см², сделаем надрезы, как показано на рисунке 1, согнем по пунктирным линиям и скрепим стороны а клеем или скрепкой. Это будет нижняя часть модели. Части, расположенные слева, необходимо отогнуть в разные стороны под прямым или острым углом. Получится настоящий вертолет!

Рис. 1.Модель вертолета

Поднимите его повыше вверх и отпустите. Вы увидите, как плавно и красиво, вращаясь вокруг своей оси, вертолет опускается вниз. Спросите у ребят: «Почему это происходит?» После этого вы совместно с учащимися сможете объяснить причины падения и вращения вертолета, возможность его движения с различной скоростью. Этот простой опыт может быть закончен творческим домашним заданием на построение «вертолета», вращающегося в другую сторону, падающего быстрее, зависающего в воздухе и пр.

Первичные знания об отдельных этапах экспериментирования дети получают в начальной школе. В частности, они учатся пользоваться постоянным магнитом, лупой, микроскопом, измерять температуру и вес тела, рассчитывать объем и скорость как производные отдельных измерений, ставить простейшие опыты, проводить наблюдения за погодой. Учащиеся овладевают элементарными способами записи результатов измерений (температуры почвы, воздуха, атмосферного давления). Однако в начальной школе цель наблюдений и опытов формулирует учитель; над условиями их выполнения ученик не задумывается; работа выполняется с оборудованием, подготовленным учителем, и по предложенному им плану. Выводы из проведенных опытов формулируются также под руководством учителя.

В седьмом классе, при систематическом изучении курса физики, учащиеся начинают задумываться над условиями, необходимыми для выполнения опыта, однако большинство еще не может самостоятельно их определить. Учащиеся еще не осознают необходимости формулировки гипотезы, которую следует положить в основу опыта, и испытывают серьезные затруднения, когда учитель предлагает ее сформулировать. Однако систематическое использование заданий на формулирование гипотез позволяет со временем ликвидировать этот пробел в знаниях школьников.

Например, при изучении темы «Сила трения» семиклассникам можно предложить выдвинуть гипотезы, определяющие причины, от которых зависит изменение силы трения. При этом учитель создает условия для экспериментальной проверки и анализа выдвинутых гипотез.

При изучении темы «Действие жидкости и газа на погруженное в них тело» на одном из этапов урока можно предложить учащимся выдвинуть свои гипотезы, объясняющие, от чего зависит выталкивающая сила.

Полученные результаты целесообразно зафиксировать в виде таблицы.

Учитель должен быть готов к тому, что вначале гипотезы, выдвигаемые учащимися, будут весьма специфическими, однако все они (без исключения) должны быть записаны на доске, после чего их необходимо обсудить, экспериментально проверить и проанализировать. В ходе проведения эксперимента мы неоднократно подчеркивали, что учебный эксперимент имеет сходство с научным, но вместе с тем и отличается от него. Например, учебный эксперимент содержит цель, которая уже достигнута наукой, однако учащимся это достижение еще неизвестно. Кроме того, учебный эксперимент отличается от научного сравнительно простым содержанием, меньшей вариативностью, несложными приемами экспериментирования.

Как показал наш опыт работы, наиболее эффективное формирование представлений учащихся об эксперименте как методе научного познания обусловлено соблюдением определенных дидактических условий.

Первое из них – наличие у школьников необходимых знаний и умений, позволяющих проводить эксперимент. Как показали результаты проведенного нами исследования, многим учащимся достаточно сложно сразу верно выполнить все операции, входящие в эксперимент. Поэтому мы сочли целесообразным отрабатывать с учащимися наиболее сложные экспериментальные операции.

Например, можно предложить учащимся задания на разработку методики проведения эксперимента:

• Разработайте методику определения теплоты сгорания различных сельскохозяйственных продуктов и кормов.

• Разработайте методику экспериментального определения границ справедливости закона Гука.

У многих школьников вызовут интерес задания на конструирование оборудования для эксперимента:

• Разработайте прибор для исследования теплового расширения твердых тел.

• Изготовьте гигроскоп из еловой шишки.

• Сконструируйте экспериментальную установку для определения ускорения свободного падения различными методами.

Часто при проведении экспериментов учащимся требуется провести измерения. Учитывая их важность, мы обращали особое внимание на чтение шкал измерительных приборов; показывали правила отсчета показаний (на примере пользования масштабной линейкой, мензуркой, термометром, динамометром, барометром), определения точности измерений, записи их результатов.

Одна из наиболее сложных экспериментальных операций – обобщение и интерпретация результатов, предполагающая глубокое их осмысление, установление различного рода связей и отношений между отдельными признаками и явлениями.

Как правило, при обучении физике используют два типа обобщения. Первое из них – эмпирическое, при котором на основе анализа и сравнения внешних, непосредственно воспринимаемых признаков нескольких объектов определяется общий признак. Однако он, как правило, не раскрывает их внутренней сущности. Например:

• Исследуйте на вкус соленую сельдь, оставленную в воде на 1 час; на 5 часов. Объясните данное явление.

Теоретическое обобщение осуществляется путем более глубокого аналитико-синтетического осмысления изучаемых явлений, позволяющих проникнуть в их сущность. Например:

• У хищников зрачок имеет щелевидную форму. Почему у кошек он расположен вертикально, а у собак – горизонтально?

• Известно, что гремучая змея обнаруживаетжертву по тепловому излучению, причем на большом расстоянии. Для этого у нее есть специальный орган – термолокатор. Почему нет подобных «тепловых глаз» у таких высокоразвитых животных, как птицы и млекопитающие?

• Из всего животного мира нашей планеты«электрические» органы встречаются только у рыб, причем чаще всего – у морских. Почему именно морские рыбы выработали способность посылать электрические сигналы?

Формированию умения учащихся интерпретировать полученные результаты будетспособствовать выполнение заданий следующего типа.

• На рисунке 2 показан график изменения температуры нафталина.

Рис. 2.График изменения температуратурынафталина

Объясните форму графика и опишите особенности каждого отрезка, используя данные из приведенной ниже таблицы.

 

При проведении эксперимента школьнику часто приходится мысленно «прикидывать» величину и относительную значимость тех параметров, которые служат для описания изучаемого явления. Это необходимо, чтобы выбрать те из них, которые являются решающими при опытном изучении данного явления природы. Следует приучать школьников представлять символы в формулах, определяющие физические величины, как конкретные количественные значения.

Формированию у школьников умения осуществлять оценку и прикидку искомых величин способствует выполнение заданий следующего типа:

• В комедии А.С. Грибоедова «Горе от ума» есть такие строки: «Строжайше б запретил я этим господам на выстрел подъезжать к столицам». Оцените это расстояние.

• Оцените, на сколько изменяется температура вблизи князя Гвидона при его превращении в комара.

• Оцените порядок скорости, с которой человек может бежать по воде, чтобы не тонуть.

• Оцените минимальную скорость бокового ветра, при которой он может опрокинуть автобус.

В процессе проведения того или иного этапа эксперимента перед учащимися целесообразно ставить следующие вопросы:

• Какие условия опытов мы преднамеренно оставляли неизменными, а какие изменяли? Почему?

• Чем отличается простое наблюдение за физическим явлением от эксперимента по выявлению его физических закономерностей?

• Почему для выявления закономерности не достаточно одного опыта, а требуется серия опытов и, как правило, с варьированием определенных условий их проведения?

• Что нужно делать, чтобы точно воспроизвести тот или иной эксперимент?

Обобщение ответов на поставленные вопросы позволит учащимся определить сущность эксперимента как метода научного познания, а именно: эксперимент – вид деятельности, предпринимаемый в целях научного познания, состоящий в воздействии на изучаемый объект (процесс) посредством специальных инструментов и приборов, что позволяет изолировать изучаемое явление от влияния несущественных факторов и изучать его сущность; многократно воспроизводить процесс в строго фиксированных, поддающихся контролю условиях; планомерно изменять, варьировать различные условия с целью получения искомого результата [1].

Второе дидактическое условие – присутствие в содержании эксперимента нового для школьников учебного материала, вызывающего у них познавательный интерес и требующего самостоятельного решения. Еще Д. Максвелл подчеркивал, что наука представляется в совершенно ином виде, когда обнаруживается, что физические явления можно не только увидеть в аудитории, проецированными при помощи света на экран, но и найти в самых высоких областях науки, в играх и гимнастике, в бурях, на суше, на море – всюду, где существует материя и движение. Перечень таких примеров можно найти в книгах [4; 5; 9–13].

Усиление познавательного интереса школьников можно вызвать также с помощью проблемных вопросов и ситуаций. Например:

• Если ранним утром войти в воду и опустить руку, то кажется, что она теплее, чем была вчера днем. Но ведь за это время вода остыла!

• Почему весной и летом морская вода поверхностного слоя у антарктических берегов более холодная, чем лежащие ниже глубинные слои?

Изучение новаторского опыта учителей физики Минской области (М.В. Горанской, И.П. Лазовского, В.В. Лупеченко, Т.Е. Максименко, Л.С. Новицкой, С.Г. Плютова, К.Д. Сечко, И.Е. Черпакова, В.И. Шуликовской и др.), использующих в практике своей работы исследовательский метод, показало, что при проведении проблемных опытов учителю важно помнить, что их содержание должно быть построено на известных ученикам явлениях и закономерностях и не содержать подсказок; проблемная ситуация должна быть потенциально разрешима учащимися; демонстрации проблемного опыта может предшествовать другой опыт, легко объясняемый учащимися на основании имеющихся у них знаний. Однако проблемный опыт должен вызвать у школьников недоумение, поскольку наблюдаемое явление не согласуется с ранее изученным материалом. Третье дидактическое условие – использование учащимися эвристических предписаний, существенно облегчающих выполнение экспериментальных процедур. По выражению Д. Пойа, эвристические предписания необходимы, как нужны леса при возведении здания. Однако они не входят в содержание образования в школе. Поэтому мы сочли целесообразным целенаправленно включать в учебный процесс ряд разработанных нами эвристических предписаний. Например:

УЧУСЬ ИЗМЕРЯТЬ

• Уточни ОБЪЕКТ измерения.

• Выбери ПРИБОР для его измерения.

• Определи ВОЗМОЖНОСТИ данного прибора.

• Определи его ЦЕНУ ДЕЛЕНИЯ.

• Правильно УСТАНОВИ и ПОДКЛЮЧИ прибор.

• РАЗРАБОТАЙ ТАБЛИЦУ для внесения полученных данных.

• СНИМИ ПОКАЗАНИЯ прибора.

• Занеси в таблицу РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ.

• Посчитай ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.

• Сделай АНАЛИЗ полученных результатов.

• Сформулируй основные ВЫВОДЫ.

При проведении школьниками учебных экспериментов важно то обстоятельство, что хотя эвристики и не гарантируют ученику абсолютного успеха, однако они позволяют обратить внимание на определенные особенности эксперимента как метода научного познания.

Как мы уже отмечали, существенным недостатком применения эвристических предписаний в массовой школе является определенное увеличение затрат учебного времени на проведение экспериментов. Однако этот недостаток по мере накопления учащимися опыта использования эксперимента как метода научного познания устраняется, что обусловливает в дальнейшем ускоренное выполнение других экспериментальные исследований. Кроме этого, организация работы учащихся с помощью эвристических предписаний происходит с высокой степенью самостоятельности и практически с отсутствием грубых ошибок, что является весомой компенсацией отмеченного выше недостатка [8].

Таким образом, соблюдение указанных выше условий позволило нам достаточно эффективно формировать представления школьников об эксперименте как методе научного познания. Уже первый год обучения по данной экспериментальной методике принес положительные результаты. В частности, если до начала экспериментального обучения полные и правильные ответы по проведению эксперимента дали лишь 10 % учащихся, то после обучения по разработанной нами методике их количество составило около 76 %, в то время как в контрольных группах полные и правильные ответы дали 34 % опрошенных.

Кроме этого, сам процесс экспериментирования, проводимый школьниками, приобрел качественные изменения. Учащиеся практически полностью осознали сущность эксперимента как метода научного познания, пользовались им осмысленно, выполняя все операции в нужном объеме и правильной последовательности.

Таким образом, развитие представлений современных школьников об эксперименте как методе научного познания позволит объединить познавательные действия, осуществляемые учащимися, в определенную систему, что способствует развитию у них научного стиля мышления.

 

1. Быков, А.А. Формирование обобщенных экспериментальных умений учащихся на уроках физики: дис. ... канд. пед. наук. – Л., 1989.

2. Запрудский, Н.И. Экспериментальные исследования учащихся: актуальность, проблемы и поиск решений // Фiзiка: праблемы выкладання. – 2005.– № 2. – С. 25–28.

3. Инструктивно-методическое письмо Министерства образования РБ «О преподавании физики и астрономии» // Настаунiцкая газета. – 2005. – № 123. – С. 2.

4. Луцевич, Б.Б., Цыркун, И.И. Система методических проблем и ситуаций по физике: метод, пособие. – Мн., 1992.

5. Маркович, Л.Г. Физика в игрушках. – Мн.: Красико-Принт, 2000.

6. Наровский, В.М. Совершенствование методики ознакомления учащихся средней школы с современными экспериментальными методами исследования физики: дис. ... канд. пед. наук. – М., 1988.

7. Осипенко, Л.Е. Организация учебных занятий исследовательского характера по физике в школе-саду // Пачатковае навучанне: сям'я, дзiцячы сад, школа.– 2004. – № 3. – С. 18–24.

8. Осипенко, Л.Е. Можно ли воспитывать юных исследователей в «глубинке»? // Фiзiка: праблемы выкладання. – 2005. – № 1. – С. 31–35.

9. Полянский, С.Е. Поурочные разработки по физике. 7 класс. – М.: ВБКП, 2004.

10. Рабиза, Ф.В. Простые опыты. Забавная физика для детей. – М.: Детская литература, 2002.

11. Ратников, Э.В. Физика вокруг нас.– Мн.: Дизайн ПРО, 1997.

12. Семке, А.И. Физика. Занимательный материал к урокам. 8 класс. – М.: НЦ ЭНАС, 2004.

13. Суорц, Кл. Необыкновенная физика обыкновенных явлений.– М.: Наука, 1986.

 

---

[1]Курсивом обозначены комментарии авторов. В ряде случаев они представлены в форме общеизвестных пословиц и поговорок.