Карпук А.Л. Проблемное обучение физике в процессе решения задач

Технология проблемного обучения является приоритетной в процессе изучения физики как основной, фундаментальной естественно-научной дисциплины в школе. Проблемное обучение (ПО) предусматривает представление содержания учебного материала в виде цепи проблемных ситуаций. ПО является «моделью», «прототипом» реальной истории развития науки; истории, которая, по сути, и есть цепь проблемных ситуаций.

На современном этапе развития образования вообще и физического образования, в частности, возникла необходимость его технологизации. Это связано прежде всего с введением стандартов образования, изменением условий функционирования системы образования в целом, корректировкой потребностей общества по поводу качества образования. На первый план выходит повышение качества работы учителя по формированию знаний, умений и навыков учащихся в соответствии с образовательным стандартом при минимизации разного рода затрат (прежде всего времени) на организацию процесса обучения.

Существует много различных общепедагогических и частнопредметных технологий. Нельзя сказать, что использование технологии – панацея от всех бед. Многое, как и прежде, зависит от уровня теоретической подготовки учителя, его личностных качеств. Однако главное отличие технологии от методики состоит в том, что технология минимально зависима от разного рода индивидуальных особенностей учителя и класса, поэтому легко воспроизводима, что немаловажно. Не вызывает сомнения то, что разные технологии на одной и той же учебной теме дадут различные результаты. Поэтому большое значение имеет выбор учителем технологии, которая максимально соответствует его запросам, учитывает возрастные особенности учащихся, специфику предмета.

Технология проблемного обучения, на мой взгляд, является приоритетной в процессе изучения физики как основной, фундаментальной естественно-научной дисциплины в школе. Проблемное обучение (ПО) предусматривает представление содержания учебного материала в виде цепи проблемных ситуаций. ПО является «моделью», «прототипом» реальной истории развития науки; истории, которая, по сути, и есть цепь проблемных ситуаций. Таким образом, сам процесс обучения выступает как иллюстрация сложного и тернистого пути познания природы. В технологии ПО одним из основных положений является следующее: ребенок усваивает материал как результат удовлетворения возникшей потребности в знаниях, являясь активным субъектом своего обучения. Действительно, просто слушая изложение учителя (даже если ему сопутствует использование всевозможных ТСО), ученик сохранит в памяти 15-20 % информации, что явно недостаточно. Более того, целью обучения физике является не столько «накопление» информации, «знание» фактов, законов и т.д., сколько развитие мышления, освоение способов мыслительной деятельности, воспитание культуры мышления, умения сопоставлять факты, обобщать, делать выводы, находить пути решения проблем и т.д. Лучший способ «научиться думать» – думать! В технологии ПО реализуется принцип «учим тому, посредством чего учим», что, несомненно, очень важно для обеспечения качества учебного процесса по физике.

Главная трудность при подготовке и проведении уроков в рамках ПО – создание необходимых условий для активного участия учащихся в работе на уроке. Для этого необходимо продумать этап мотивации, чтобы «разжечь» детское любопытство. Мотивацию можно осуществить на основе связи изучаемого материала с реальной жизнью, межпредметных связей. Мотивация появляется благодаря проблемной ситуации.

Проблемные ситуации могут возникать спонтанно, что наблюдается практически на каждом уроке независимо от технологии, темы, предмета; могут намеренно создаваться учителем. Особую ценность в рамках ПО имеют проблемы, самостоятельно сформированные и разрешенные учениками, задачей учителя в этом случае является «удержание» обсуждения в русле целей, задач, темы данного урока.

При анализе проблемных ситуаций и решении проблем реализуется воспитательная функция урока. В классе должна быть атмосфера демократизма, сотрудничества. Авторитарный стиль руководства здесь неуместен. Ученики учатся уважать точку зрения другого, слушать, обосновывать свое утверждение; воспитывается культура дискуссии и общения в целом.

Приемы создания проблемных ситуаций могут быть самыми разными. Выбор того или иного приема определяется содержанием учебного материала, целью данного урока. Например:

1) учитель подводит к противоречию и предлагает найти способ его разрешения (при изучении свободного падения в IXклассе можно «столкнуть» сторонников Аристотеля – они всегда найдутся в классе – и сторонников Галилея; взгляды сторон на данное явление были явно противоположны);

2) обнаружение противоречий практической деятельности (принцип действия обычного и медицинского термометров; как лучше разрубить полено, если в нем застрял топор);

3) рассмотрение явления с различных сторон (относительность движения и покоя);

4) сравнение, сопоставление фактов, обобщения, выводы (сравнение закономерностей электростатического и гравитационного полей; выяснение природы света на основе экспериментальных фактов; объяснение; законов фотоэффекта).

Это далеко не все возможные приемы создания проблемных ситуаций. Любой неожиданный результат при решении задачи, любое предположение, опровержение, несоответствие и т.п. могут стать основой появления проблемной ситуации и разрешения возникшей проблемы.

Хотелось бы остановиться на использовании задач для создания проблемных ситуаций. Само слово «задача» на многих языках звучит как «проблема». Чтобы задача заинтересовала, ее содержание должно быть продумано, актуально, любопытно. Основная цель решения задач на уроках физики состоит в том, чтобы учащиеся глубже понимали физические закономерности, суть рассматриваемых явлений. С другой стороны, только решая задачи, можно научиться их решать. Поэтому должна быть очевидной двойственность роли задач в процессе изучения физики: процесс решения задач есть показатель результативности обучения, он же – средство обучения, средство развития способностей мыслительной деятельности.

Большинство задач, приведенных в упражнениях учебников физики, имеет репродуктивный характер (хотя и такие нужны на первоначальном этапе) и по сути задачами не являются. Действительно, нельзя назвать задачей задание на подстановку чисел в формулу, выражение из формулы «буквы» с последующей подстановкой данных. К сожалению, учителя часто ограничиваются подобными упражнениями при изучении темы. При таком подходе физика явлений «уходит» на второй план, а о развитии детей не приходится и говорить. Непонятно, зачем вообще в таком случае решать задачи, это пустая трата времени.

Любую задачу можно сформулировать так, чтобы она стала проблемной (т.е. вызвала интерес или хотя бы заинтересованность в ее решении). Такими являются задачи с недостатком или избытком данных, имеющие неопределенности в формулировке, задачи с неявным вопросом или с отсутствием вопроса.

Ниже приведены некоторые функциональные роли задач при обучении физике с примерами.

1. При изложении нового учебного материала. Для более глубокого понимания явления свободного падения тел после выяснения характера данного движения решается задача:

С балкона на высоте 25 м над землей вертикально вверх брошено тело со скоростью 20 м/с.

(Задача не содержит вопроса, условие служит лишь отправной точкой для рассуждений, смысл такой задачи – распознать явление, рассмотреть его со всех возможных сторон, выявить существенные детали. После обсуждения ученики сами формулируют интересующие их вопросы, ответы на которые (решения) отыскиваются сообща.)

Вопросы для обсуждения (ставит учитель):

• Можем ли мы сообщить какому-либо телу скорость 20 м/с?

• Реальна ли данная ситуация?

• Можно ли бросить тело «вертикально» вверх?

• Будет ли это движение свободным падением? Почему?

• Чем пренебрегаем в данной ситуации?

• Как движется тело? Вверх? Вниз? И т.п.

Выполняется рисунок на доске (ось, уровень земли, начальная координата, начальная скорость, ускорение). Записываются законы y(t)и u_y(t).Обсуждается смысл записанных уравнений.

Ученики задают следующие вопросы:

• Где будет тело через 1, 2, ... секунды? Какова его скорость в эти моменты времени?

• Когда тело будет на высоте 40 м, 50 м, 20 м?

(Идет отработка навыков обращения с уравнениями y(t) и u_y(t).Обсуждаются результаты и их смысл.)

• На сколько метров тело поднимется?

(Решается по сути стандартная задача: найти максимальную высоту подъема тела, брошенного вертикально вверх. Вопрос записывается в тетрадь, высказываются предположения, ученики «сами» придумывают, как найти h_max. Необходимые записи делаются своевременно на доске учителем.)

• Когда и с какой скоростью тело упадет на землю?

(Строятся графики зависимостей y(t) и u_y(t),сопоставляются с результатами вычислений.)

2. Вместо изложения новой темы. На 3-м или 4-м уроке в IXклассе вместо изложения тем «Проекции вектора на координатные оси», «Равномерное прямолинейное движение» решается следующая задача:

Тело переместилось из точки А с координатами (–3 м; 4 м) в точку В с координатами (5 м; –2 м) за 4 секунды.

(Задача не имеет вопроса, задана некорректно: многое недосказано. Однако, рассмотрев с учащимися возможные варианты, останавливаемся на прямолинейном движении с постоянной скоростью.)

Вычерчивается рисунок (система координат, точки А и Б, вектор перемещения). По ходу «вбрасываются» элементы нового материала: проекции вектора перемещения, как их найти, их смысл, знаки проекций и их смысл. Находится модуль перемещения. Все новые определения, формулы записываются в тетрадь и выделяются. Выясняется смысл понятий «равномерное» движение, «скорость». Находится модуль скорости по условию задачи, проекции скорости, выясняется их смысл. Получаются законы движения x(t),y(t);уравнение траектории у(х).Чертятся графики функций x(t),y(t), у(х).

Данная задача решается практически весь урок. Учитель лишь направляет ход мыслей учащихся в нужное русло. У детей создается ощущение, что они сами «придумали» все «это» (т.е. способ описания равномерного прямолинейного движения).

Аналогично можно «исключить» изложение нового материала по темам: «Сила Лоренца», «Кинематика гармонических колебаний», «Резонанс в электрической цепи», «Явление радиоактивного распада», «Искусственные спутники Земли» и др.

3. Перед изучением новой темы. В VIIклассе перед изучением темы «Архимедова сила» полезно решить задачу:

Брусок размерами 20х20х20 (см) опустили под воду на глубину 10 см.

(Задача без вопроса. Основная цель решения задачи перед изучением темы – «прочувствовать» ситуацию, получить выводы, на которые будем опираться при изучении темы. Выводы должны быть понятны всем, это залог успешного усвоения предстоящей темы.)

Обсуждается неоднозначная ситуация: как можно осуществить реально условие задачи. В результате появляется рисунок (брусок целиком в воде, глубина погружения, по договоренности, – расстояние от поверхности воды до верхней параллельной ей грани бруска). Далее рассчитываются силы, с которыми вода давит на грани бруска; эти силы сравниваются, ученики формулируют выводы (равнодействующая отлична от нуля, направлена вверх, боковые силы уравновешены). Выясняется, какие еще силы действуют на брусок (имеется в виду сила тяжести). Обсуждение приводит к необходимости знать плотность вещества бруска. Для примера предполагается, что брусок сделан из а) дерева; б) металла. Находится сила тяжести в каждом случае, она сравнивается с равнодействующей сил давления воды, делаются выводы (сплошное тело с плотностью, большей, чем плотность жидкости, тонет в ней; с плотностью, меньшей, чем плотность жидкости, всплывает). Задача решается весь урок в «активном» режиме.

4. Закрепление в процессе знаний, обобщение изученного. По теме «Свойства паров. Влажность воздуха» предлагается задача:

Имеется сосуд, содержащий воздух при температуре 17 °С и влажности 60 %. Как сделать водяной пар в сосуде насыщенным?

(Это комплексная задача с неявным вопросом: неясно, что нужно найти. Суть: «придумать» способ насыщения пара и сформулировать минизадачу, затем ее решить.)

Строится график зависимости давления насыщенного пара от температуры; наносится точка, описывающая данное состояние пара; отыскиваются способы его насыщения. Рассматриваются все возможности: изобарное охлаждение, увеличение массы влаги, изотермическое сжатие, изохорное охлаждение. Все варианты предлагают и обосновывают ученики. По ходу обсуждается реальность осуществления каждого из вариантов, необходимые для этого условия. Изучается возможность каждого процесса в реальной жизни (в квартире, на улице и т.д.). Процессы изображаются графически. В результате решения одной задачи отрабатываются умения и навыки по данной теме, актуализируются знания, происходит их более полное и глубокое усвоение.

5. Проверки для усвоения учебного материала. Для проверки знаний, умений и навыков учащихся используются в основном такие формы работы, как самостоятельная, проверочная, контрольная работы. Отличительная черта задач, входящих в задания данных работ, – преимущественно репродуктивный характер самих задач. Этап проверки по сути – выявление степени их соответствия требованиям образовательного стандарта. Здесь задачи не средство обучения, их решение есть показатель осознанности и глубины знаний. Однако важно такие задания дифференцировать. Можно подготовить разноуровневые варианты, что мне кажется не совсем целесообразным («сильный» ученик данную ему учителем «сильную» задачу со словами: «Ты должен это решить», – может и не решить; как оценить его труд, ведь уровень задачи явно выше требований стандарта). Эффективнее будет давать такие задания, которые содержат относительно большое число вопросов – шагов решения одной большой задачи.

Например, в контрольной работе по кинематике в IX классе может быть такая задача:

Пассажир первого вагона поезда длиной Lпрогуливался по перрону вдоль состава. Когда он был рядом с последним вагоном, поезд тронулся с ускорением а. (Вместо «магического» слова «найти» предлагаются задания.)

1. Выберите систему отсчета, запишите уравнение движения поезда и зависимость его скорости от времени.

2. Постройте графики зависимостей x(t) и v_x(t).

3. В момент начала движения поезда пассажир побежал со скоростью н к своему вагону. Запишите уравнение движения пассажира и постройте график зависимости координаты от времени.

4. Через какое время пассажир догонит свой вагон? (Данные подбираются так, чтобы было два корня при решении уравнения х₁ = х₂.)

5. Объясните смысл ответов.

6. Чему равно перемещение пассажира относительно земли? Относительно поезда? (За время бега.)

7. Найдите зависимость расстояния пассажира до своего вагона от времени.

8. Напишите уравнение движения пассажира в системе отсчета, связанной с поездом.

9. С какой минимальной скоростью может бежать пассажир, чтобы догнать свой вагон? При каком условии пассажир не догонит свой вагон?

Есть много задач, которые можно так же «раскрутить»: поставить множество вопросов – шагов. Очевидно, что в таком варианте дифференциация имеет, если так можно выразиться, проблемный характер. Преимущество этих заданий состоит прежде всего в том, что каждый ученик загружен на весь урок, имеет возможность спокойно, в оптимальном для него темпе решать то, что он может решить (в таком перечне заданий буквально каждый ученик способен выполнить часть из них). Каждому заданию можно присвоить некоторое количество баллов и оценивать его по проценту правильных ответов (решений). Можно определить задания обязательные и дополнительные, оценки выставляются в этом случае традиционным образом.

Бесспорно, все изложенное выше не является полным описанием технологии проблемного обучения, более того, наверняка можно предложить некоторые другие формы, методы, приемы использования задач в рамках проблемного обучения (в частности, остался не рассмотренным вопрос об экспериментальных задачах и работах фронтального эксперимента и практикума). В статье сделана попытка осмысления сущности проблемного обучения в преломлении обучения физике через решение задач. Невозможно все уроки строить на основе проблемного подхода, да и не нужно. Эффективность процесса обучения физике – в гармоничном, оптимальном сочетании элементов различных технологий. Однако все, о чем сказано выше, было неоднократно апробировано, и результаты обучения оказались неплохими как в профильных, так и в базовых классах.