Слободянюк А.И. Что такое олимпиадная физическая задача?

К основным задачам республиканской олимпиады относятся: повышение интереса учащихся к изучаемым предметам, развитие их творческих способностей, углубление теоретических знаний и практических умений, ... Достижение поставленной цели и решение сформулированных задач может быть успешно реализовано только на основе тщательно подготовленных заданий олимпиад. В данной работе предпринята попытка сформулировать основные методические требования к комплекту заданий физических олимпиад школьников.

Олимпиады школьников давно завоевали почетное место в системе работы с одаренными учащимися. Согласно Инструкции Министерства образования Республики Беларусь, республиканская олимпиада проводится с целью выявления и поддержки наиболее способных, одаренных учащихся учреждений образования.

Там же сформулированы основные задачи республиканской олимпиады, к числу которых относятся повышение интереса учащихся к изучаемым предметам, развитие их творческих способностей, углубление теоретических знаний и практических умений, содействие самореализации личности; реализация идеи непрерывного образования путем подготовки одаренной учащейся молодежи для продолжения обучения в вузах; стимулирование деятельности педагогических коллективов по развитию способностей одаренных учащихся; активизация работы факультативов, кружков, курсов по выбору и других форм внеклассной и внешкольной работы с учащейся молодежью; пропаганда научных знаний и развитие интереса учащихся к научной деятельности.

Достижение поставленной цели и решение сформулированных задач может быть успешно реализовано только на основе тщательно подготовленных заданий[1] олимпиад. В данной работе предпринята попытка сформулировать основные методические требования к комплекту заданий физических олимпиад школьников.

Традиционная физическая олимпиада проводится в два тура – теоретический и экспериментальный, и, кроме общих требований к набору заданий, каждый тур имеет свои особенности.

Любая олимпиада по своей форме является соревнованием, в ходе которого выявляются победители и призеры. Поэтому обсуждаемый набор заданий должен давать возможность определить лучших с достаточной достоверностью, чтобы вероятность «случайной» победы была минимальна. Эта цель может быть достигнута в том случае, когда задачи оригинальны, т.е. не входят в традиционные и популярные сборники задач. Полный набор задач должен быть сложным, т.е. требовать для решения прочного знания и понимания физических законов и принципов; умения применять разнообразный математический аппарат (в том числе приближенные, графические методы, элементы высшей математики и др.); способности выполнять достаточный объем технической работы (алгебраических преобразований, арифметических расчетов).

С нашей точки зрения, победители олимпиады должны получать порядка 75-80 % максимально возможного числа баллов, только в этом случае появляется реальная возможность обоснованно распределить места среди участников олимпиады. С другой стороны, в олимпиадах принимают участие ученики, являющиеся, как правило, лидерами в своих классах. Поэтому крайне нежелательно появление «нулевых» работ, у каждого участника должна быть возможность набрать, как минимум, 10-15% возможного числа баллов.

С этой же целью комплект заданий должен включать задачи, относящиеся к различным разделам изучаемого курса физики, охватывая большинство из них. Особую ценность, с нашей точки зрения, представляют комплексные задачи, для решения которых необходимо использовать различные законы механики, электродинамики, оптики и т.д.

Для повышения интереса к изучению физики задачи олимпиады по возможности должны строиться на основе изучения реальных явлений природы и техники, включать исследования реальных физических экспериментов – как фундаментальных, сыгравших существенную роль в развитии физики, так и современных. Примерами таких заданий могут служить задачи, связанные с математическим описанием наблюдений Ремера по определению скорости света, опытов Майкельсона, Миликена, Френеля и др., которые регулярно присутствуют в заданиях заключительного этапа республиканской олимпиады. Традиционные задачи курса физики (движение тела под углом к горизонту, грузики на блоке и на наклонной плоскости, соединение резисторов, построение хода лучей в линзах и т.д.) постепенно уходят из заданий олимпиад или являются небольшой составной частью этих заданий. Естественно, решение подобных задач не должно выходить за рамки действующих учебных программ как по физике, так и по математике.

Вместе с тем для выявления наиболее одаренных и талантливых учащихся допустимо и необходимо использовать задачи по описанию некоторых явлений, использованию некоторых физических законов, которые непосредственно не изучаются в курсе физики средней школы и, тем не менее, могут быть решены с использованием аналогий, самостоятельных разумных гипотез и предположений. Именно такие задачи позволяют учащимся проявить свои способности к самостоятельному мышлению, творческой созидательной деятельности. Естественно, что тексты таких задач должны содержать определенные «подсказки». Подчеркнем, что задачи такого типа постоянно присутствуют на олимпиадах различного уровня. В качестве примера можно привести задачи, в которых использовались законы Дюлога-Пти, Дарси, Генри и др.; уравнения теплопереноса и диффузии (естественно, в простейших формах), простейшие варианты атомно-молекулярных теорий строения кристаллов, диэлектриков, диамагнетиков и другие. Интересны задачи, решение которых предполагает использование оригинальных математических методов, особенно в тех случаях, когда их применимость обосновывается с физической точки зрения.

Поставленная цель углубления теоретических знаний может быть достигнута, если задания олимпиады требуют более широкого понимания изучаемых законов, осмысления их глубокой физической сущности. В качестве примера можно привести задачи с использованием второго закона Ньютона для описания движения центра масс системы взаимодействующих тел; условий применимости законов квазистационарных электрических токов; условия замкнутости силовых линий магнитного поля как метода расчета полей; полевой трактовки закона электромагнитной индукции; оценок влияния неравновесности термодинамических процессов на их характеристики; ограниченности применимости законов геометрической оптики; закона сохранения энергии при ее неочевидных переходах из одной формы в другую.

Резюмируя сказанное, считаем, что каждое задание олимпиады по своей сути должно являться исследованием физического явления, по возможности достаточно полным и комплексным. Под комплексным исследованием явления мы понимаем изучение различных его аспектов, получение зависимостей конечного результата от целого набора варьируемых параметров.

Перечень явлений, изучаемых в курсе физики средней школы, достаточно широк, однако не многие из них допускают прямую экспериментальную проверку.

Не составляет труда дать практически полный перечень возможных физических величин, которые традиционно измеряются в школьном курсе: плотность (закон Архимеда), удельное электрическое сопротивление (закон Ома), удельная теплоемкость (тепловой баланс), коэффициент трения (на наклонной плоскости), коэффициент жесткости пружины (закон Гука), ускорение свободного падения (математический маятник), показатель преломления (закон Снелиуса), длина волны света (дифракционная решетка). В некоторых случаях в качестве объекта исследования используются простые явления, которые непосредственно не входят в программу, но доступны пониманию учащихся на основании общих физических законов, изучаемых в школе; иногда бывает достаточно просто здравого смысла и обыденного опыта, а иногда, наоборот, требуется провести исследование, достойное места в истории. В таких случаях в условии задачи приводятся некоторые формулы, законы, определения, которые могут потребоваться в ходе выполнения работы.

Использование приборов, проведение измерений, методы обработки результатов – вот перечень базовых навыков, которыми должен обладать участник олимпиады для выполнения полученных экспериментальных заданий.

К нашему глубокому сожалению, одной из самых трудноразрешимых проблем подготовки экспериментальных заданий является подбор необходимого оборудования. Помимо того, что оно должно удовлетворять требованиям техники безопасности, быть простым и надежным, с ним должны быть знакомы участники олимпиады, его прежде всего необходимо найти или изготовить в нужном количестве. Поэтому часто приходится готовить задание, требующее самого простого оборудования. Заметим, однако, что и на примитивном оборудовании можно выполнять учебные работы весьма высокого методического уровня.

Мы считаем, что физический эксперимент на олимпиаде должен давать количественные результаты с приемлемой точностью. Поэтому из перечня возможных экспериментальных проблем должны быть исключены те, изучение или демонстрация которых носит иллюстративный характер.

При проведении измерений на олимпиаде участник существенно ограничен во времени. Поэтому явно или неявно предлагаемая схема эксперимента должна исключать по мере возможности влияние побочных факторов, затрудняющих интерпретацию результатов.

Успешному выполнению того или иного задания во многом способствует продуманная формулировка условия. С одной стороны, она должна оставлять определенный простор для творческого поиска, с другой – быть достаточно конкретной, указывающей основной порядок проведения эксперимента.

Таким образом, хорошая экспериментальная олимпиадная задача должна быть четко и однозначно сформулирована, иметь исследовательский комплексный характер, выполняться на достаточно простом оборудовании за ограниченное время, приводить к количественным результатам, допускающим после соответствующей математической обработки наглядную и физически верную интерпретацию.

Разработка экспериментальных заданий олимпиад требует много времени, которое затрачивается на выбор темы исследования, подготовку и изготовление оборудования, неоднократное проведение измерений и их обработку, формулировку условий, выработку критериев оценивания и т.д. При этом в ходе работы первоначальные идеи, задуманные схемы экспериментов неоднократно меняются и отвергаются. Наш многолетний опыт показывает, что «коэффициент полезного действия» (отношение числа подготовленных задач к числу исходных идей) редко превышает двадцать процентов.

Авторы задач оставляют за собой право включать в перечень заданий некоторые «ловушки», позволяющие выявить тех «хитрых» участников, которые предпочитают «сочинить» результаты экспериментов, а не заниматься их получением.

В заключение считаем необходимым подчеркнуть, что высказанные положения сформулированы на основании пятнадцатилетнего опыта подготовки и проведения республиканских физических олимпиад.

[1]Если допустить тавтологию, то данный тезис может звучать так: «Успешное решение задач, стоящих перед олимпиадами, достигается с помощью задач олимпиады и их успешного решения».