Лещинский Ю.Д. Демонстрационный эксперимент и формирование практических навыков учащихся

Демонстрационный эксперимент — одна из важнейших составных частей преподавания физики. Опыты, проводимые перед детской аудиторией учителем, преследуют несколько целей.

Во-первых, они показывают в более или менее чистом виде суть физического явления, позволяя ученикам отчетливее представить изучаемый объект.

Во-вторых, эксперимент способствует лучшему запоминанию изучаемой закономерности, так как вызывает повышенную активность мыслительной деятельности учащихся, становящихся «соучастниками» эксперимента.

В-третьих, демонстрационный эксперимент, квалифицированно и наглядно проводимый опытным учителем, лежит в основе цепи формирования практических умений обучаемых. Последующими звеньями такой цепи является выполнение ими фронтальных классных и домашних экспериментов, лабораторных работ и работ завершающих физических практикумов.

Не касаясь других, не менее важных аспектов вопроса, остановимся подробнее именно на последней мысли — эксперимент как отправная точка работы учителя над привитием учащимся практических умений. Ведь именно наблюдая квалифицированные действия учителя с приборами, установленными на демонстрационном столе, ученик получает ту сумму первичных знаний, которые необходимы ему для последующих самостоятельных действий при выполнении работ, предусмотренных программой. В этой связи учитель, задумывая и подготавливая эксперименты, должен творчески осмыслить все методические и психологические моменты, чтобы не просто показать данное физическое явление, но и дать учащимся знания и навыки для будущей самостоятельной работы. Каковы же формы и методы реализации поставленной задачи?

В первую очередь отметим необходимость такого проведения опытов, при котором бы каждый ученик в наибольшей мере был активным участником происходящего. Данное выражение об активном участии каждого не нужно понимать как обязательное физическое участие в эксперименте наибольшего числа обучаемых: при малопродуманной организации опыта можно привлечь весь класс вращать ручку разряжающего насоса или поручить сразу нескольким ученикам держать различные части установки, но это может оказаться лишь активным присутствием, которое, решая другие задачи, в плане привития навыков может почти ничего не дать. Главным условием активного участия класса в проводимом демонстрационном эксперименте является ясное понимание всеми его членами узловых моментов: с какой целью ставится эксперимент, какой путь избран учителем для ее достижения и каково назначение каждой детали (узла) используемой установки. Говоря короче, никогда не следует жалеть времени на предшествующее самому опыту введение, в котором будут освещены главные моменты: что, как и с помощью чего мы собираемся изучать в данном эксперименте.

Приведем в качестве конкретного примера обязательную демонстрацию из курса XI класса «Наблюдение интерференции волн на поверхности воды». Приготовив на демонстрационном столе общеизвестную установку с ванной с зеркальным дном, формулируем суть поставленной проблемы: изучить распространение волн, возбуждаемых двумя вибраторами, и сравнить его с распространением волн, возбуждаемых одним вибратором. Объясняем, что если на поверхности воды возбудить волну, то чередующиеся гребни и впадины ее будут действовать на проходящий свет как система перемещаемых линз (с ними ученики уже знакомы из курса VIII класса). Благодаря этому мы увидим на экране бегущую картину светлых участков (собирание света) и участков темных (рассеивание света).

Активному участию обучаемых в проводимом опыте способствует и продуманное расчленение его на логические части, что позволяет удержать в поле активного обучения наиболее медлительных в мышлении учеников. Так, в описываемом опыте сначала возбуждаем волну на поверхности воды простым разовым «маканием» кончика карандаша или отвертки, чтобы убедить аудиторию в справедливости наших рассуждений относительно собирающих и рассеивающих линз. После этого возбуждаем устойчивую волну, используя штатный вибратор прибора с одиночным наконечником, и, повторив опыт несколько раз, зарисовываем на доске и в тетрадях картину плоской сферической волны с немедленным ее обсуждением. В результате акцентируем, что в данной ситуации вероятность распространения волновой энергии одинакова по всем направлениям.

И только после этого приступаем к основной части эксперимента — рассмотрению волновой картины, создаваемой двумя согласованно работающими вибраторами. После ее неоднократного повторения и сравнения с соответствующим рисунком учебника выявляем главную особенность явления: перераспределение излучаемой вибраторами волновой энергии в пространстве, возникновение «разрешенных» направлений (линии максимумов), по которым энергия поступает, и «запрещенных» направлений (линии минимумов), по которым энергия не поступает. Кстати, хотелось бы отметить, что как раз на этом уроке необходимо убедить учеников, что суть интерференции именно в пространственном перераспределении энергии и что тот прием, который мы используем для отыскания интерференционных минимумов — «в эти точки две волны приходят, но в противоположных фазах, из-за чего происходит вычитание амплитуд», является условным и искусственным, так как в эти точки волны не приходят вообще ни от одного из вибраторов и что именно это перераспределение вероятности распространения энергии и выявляет принципиальное отличие волнового излучения от движения пучка корпускул.

Важнейшим способом разрешения поставленной проблемы привития практических навыков является активный поиск учителя в стратегии проведения демонстрационного эксперимента с целью максимального сближения его с фронтальным экспериментом. Так, например, можно продемонстрировать восьмиклассникам работу электроскопа, применяя специальную подсветку шкалы и даже показывающую телекамеру, что значительно улучшит видимость картины даже с последних парт. Гораздо большую ценность имеет сочетание такой демонстрации с предварительной простой фронтальной работой обучаемых. Каждый ученик получает по две полоски газетной бумаги размером около 3x20 см (их обязательно нужно предварительно тщательно высушить около батареи отопления, плитки или лампы!). Держа в одной руке сложенные вместе верхние концы полосок, ученик должен тремя пальцами другой руки потереть эти полоски, что вызовет их энергичное отталкивание, полностью объясняя идею электроскопа. Точно так же при демонстрации дифракционной решетки проходящего света лучше не проектировать на экран изображение узкой щели с помощью света, прошедшего через установленную вблизи проекционного аппарата дифракционную решетку, как это рекомендовано практически во всей методической литературе, а дать решетку самим учащимся (каждому или одну на стол) и предложить им посмотреть через нее на установленную на демонстрационном столе лампу с длинной и тонкой нитью (типа КГМ), что максимально сближает данную демонстрацию с последующей обязательной лабораторной работой «Определение длины световой волны с помощью дифракционной решетки».

Немаловажным фактором, способствующим разрешению разбираемой задачи, является постоянное и настойчивое распространение на демонстрационный эксперимент одного из важнейших общеметодических принципов — создание проблемной ситуации, причем желательно такой, которая выводила бы обучаемых на новый, более глубокий виток мыслительных действий, позволяя как еще раз убедиться в уже установленных закономерностях явления, так и вскрыть новые, более глубинные. Продолжим в этой связи рассмотрение урока по интерференции механических волн. После выяснения сути явления и обсуждения вопроса о когерентности учащимся предлагаем самостоятельно сориентироваться в следующем опыте: на столе на расстоянии 1-1,5 м друг от друга устанавливаются два одинаковых громкоговорителя, подключенные к звуковому генератору, работающему на частоте около 1 кГц. Учащимся предлагаем встать и, выйдя из-за стола и медленно перемещаясь вперед-назад, слушать и оценивать громкость воспринимаемого звука. Практически сразу все участники опыта улавливают главную особенность изучаемой картины: наличие зон, где звук слышен громче, и зон, где звук тише, т.е. классическую интерференционную картину звуковых волн, из чего делается вывод об универсальности изучаемого явления интерференции, так как волны во втором опыте являются продольными, в то время как волны на поверхности воды — поперечные. И тут же следующий шаг: просим еще раз более внимательно «прослушать» звуковое поле двух динамиков, заткнув для увеличения разрешения одно ухо (желательно с помощью носового платка), и убедиться, что полных минимумов, т.е. зон, в которые звук вообще бы не поступал, нет, в то время как в первом опыте такие зоны были. Далеко не все обучаемые сразу схватывают причину такого различия, и тогда мы возвращаемся к первому опыту и показываем важную деталь установки, на которую в начале урока внимание умышленно не обращалось: полоски ткани, уложенные по периметру ванны для поглощения волн. Разъясняем, что во втором опыте в каждую точку класса могли прийти не только волны, распространяющиеся «напрямую» от динамиков, четко «перераспределенные» в пространстве благодаря явлению интерференции, но и волны, прошедшие отражение от стен, в том числе и неоднократные.

Убрав все тканевые полоски в волновой ванне, демонстрируем сначала быстроизменяющуюся непредсказуемую картину, возникающую при «разовом макании» карандаша или отвертки в различных точках поверхности, и создаем обучаемым новую проблемную ситуацию, которая позволит сделать еще один качественный шаг в познании разбираемого явления. Восстановив по краям ванны поглощающие полоски, устанавливаем в нескольких сантиметрах от штатного вибратора отражающий экран (входит в комплект прибора) и создаем колебания, акцентируя, что мы используем один удлиненный наконечник, возбуждающий плоскую волну. Возникающая между вибратором и экраном картина «застывшей» волны сначала воспринимается учениками как принципиально иное явление, не связанное с интерференцией, так как они видят один, хотя и протяженный вибратор и поэтому тут же мы проводим новый эксперимент с резиновым шнуром, в котором можно наблюдать взаимодействие волны·, идущей от вибратора (руки) и отраженной от конца шнура. И опять же все это по неспешной методике с «промежуточными финишами»: сначала посылка по шнуру одиночных волновых импульсов и наблюдение картины движения отраженного импульса и далее до показа стоячей волны с одной, двумя, тремя пучностями (рис. 1). (Заметим, что в этих опытах желательно использовать длинные резиновые трубки, а не бельевую веревку или провод. При затруднениях с этой демонстрацией учитель может показать фотографии этого опыта из различных популярных книг, например из книги «Популярная физика» (автор — Дж.Орир. — М., 1996), откуда и приведена настоящая фотография.)

Рис. 1.

Чрезвычайно важным методом, способствующим привитию учащимся практических навыков при проведении демонстрационного эксперимента, является использование в них элементов, которые могут быть выполнены самим учащимся в домашних условиях как продолжение эксперимента и даже его углубленное самостоятельное исследование. Отечественная методическая литература содержит массу таких рекомендаций, мы же ограничимся несколькими примерами в рамках уроков, рассмотренных в настоящей статье.

Пример 1. После урока по теме «Электроскоп» учащимся по желанию предлагается дома самостоятельно изготовить электроскоп. Сообщается, что лучшие конструкции будут поощрены оценкой в журнале, если автор сможет продемонстрировать на самодельном приборе один-два опыта и ответить на вопросы товарищей. Кстати, говоря о таком задании, не могу не удержаться, чтобы не высказать свое негативное отношение к его обязательному характеру для всех учеников, что может дать эффект, противоположный предполагаемому. А именно: количество самодельных приборов, принесенных добровольными исполнителями, объективно покажет учителю, насколько ему удалось увлечь своим предметом коллектив обучаемых.

Пример 2. После демонстрации интерференции звуковых волн (с двумя громкоговорителями) поставим ученикам следующий вопрос: как изменится интерференционная картина, если изменить расстояние между вибраторами? Для решения этого вопроса ученики получают домашнее графическое задание. На листе бумаги обычного формата А4 им нужно изобразить с помощью циркуля «моментальный снимок» интерференционной картины от двух вибраторов; используя для изображения гребней (сгущений) и впадин (разряжений) карандаши разного цвета, причем на одной и на другой стороне листа следует выбрать различные расстояния между вибраторами. Помечая ручкой или фломастером линии максимумов и минимумов (рис. 2, 3), они получают возможность лично убедиться в том, что чем ближе друг к другу расположены излучатели волн, тем больше расстояние между линиями максимумов. Работа эта имеет очень большое значение и для последующего изучения световых волн при рассмотрении фундаментального опыта Юнга с двумя щелями, тонкости которого (необходимость использования очень близко расположенных щелей и наблюдения картины с большого расстояния) очень нелегко воспринимаются обучаемыми. Заметим попутно, что накопленные в физкабинете листы с этими заданиями могут быть использованы учителем как готовый раздаточный материал для последующих классов.

Pиc. 2.

Рис. 3.

Пример 3. Разобрав на уроке суть стоячей волны и убедив учеников, что упругие колебания тел сводятся по сути к созданию в этих телах стоячих волн, можно порекомендовать учащимся проведение в домашних условиях опытов по наблюдению и изучению таких колебаний. Так, ученикам, имеющим дома гитару, можно порекомендовать поупражняться дома и затем продемонстрировать в классе свободные колебания струны, сводящиеся к возникновению в струне волн не только с одной пучностью, но и двумя, тремя. Желающих заняться этим можно адресовать к «Элементарному учебнику физики» Г.С.Ландсберга, том III, №48 (по изданию: М., 1986 г.). Более массовым можно сделать домашнее наблюдение стоячих волн на поверхности воды. Для этого стакан с небольшим количеством воды нужно расположить рядом (или на) с установкой, создающей вибрации, — работающий миксер, кофемолка, соковыжималка и т.п.

В заключение нужно отметить, что далеко не на каждом уроке и даже не в каждой теме предоставляются возможности проведения работы данного направления в ходе демонстрационного эксперимента, но работа эта крайне желательна, чтобы из наших учебных заведений (средних школ и ПТУ) выходило как можно больше людей, которые, используя известную притчу о выдающемся советском физике П.Л.Капице, не только бы знали принципы работы электромотора, но и знали бы, куда нужно ударить кувалдой, чтобы остановившийся мотор заработал!

Автор статьи, рискуя выглядеть несовременным, глубоко уверен в том, что для решения такой задачи нашего среднего (да и не только среднего!) образования именно творчески поставленный эксперимент «вживую» по хорошо продуманной методике даст больше пользы, чем компьютерные моделирования физических опытов, которые все шире внедряются в преподавание, но являются, на взгляд автора, лишь хорошим подспорьем в решении поставленных задач.