Акуленко В.Л. Укрупнение дидактическим единиц посредством построения схем (тема «Фазовые переходы»)

Реформа, которую в настоящее время переживает система образования Беларуси, предполагает существеннейшие изменения в практике учебного процесса. Меняется содержание образования, ролевые отношения субъектов обучения, требования к знаниям, умениям, навыкам и качествам учащихся.

Данными изменениями вызван переход от традиционных методик обучения к технологиям обучения. Казалось бы, все довольно просто: стоит лишь выбрать какую-либо определенную технологию, и успех обеспечен. Но... возникает вопрос, на какой же технологии обучения остановить свой выбор? Ответ напрашивается сам собой — на самой лучшей. Такой ответ в свою очередь приводит нас к новому вопросу: «А какая же технология обучения физике является лучшей?» Этот вопрос остается без ответа. Действительно, на паритетных началах существует ряд технологий, приверженцы которых достигают завидных результатов в обучении физике.

Вышеизложенный факт дает основания утверждать, что технологии обучения, несмотря на заимствованное из промышленной сферы название, в той или иной степени субъективны. Следовательно, можно предположить, что для успешного применения технология должна быть в определенной степени подстроена под конкретного учителя и конкретных учащихся самим учителем. Другой путь — создание учителем собственной технологии обучения на основе общих подходов и конкретных элементов известных технологий обучения.

Реализацию одного из таких элементов, а именно — укрупнение дидактических единиц (УДЕ) — мне хотелось бы продемонстрировать читателям. По моему мнению, данный прием является универсальным и применимым в рамках практически любой технологии на том или ином этапе обучения. УДЕ, с одной стороны, позволяет учащимся взглянуть на ту или иную проблему в целом, с другой — интенсифицирует процесс изучения теоретического материала, высвобождая время, столь необходимое для отработки практических навыков (решение задач, эксперимент, компьютерное моделирование и т.д.).

И еще, на примере предлагаемого ниже урока я, не являясь сторонником физики, как «меловой» науки, в то же время хочу доказать, да простят меня читатели за поэтическое отступление, что «мел и доска — не всегда тоска».

Этапы урока первичного усвоения знаний по теме «Фазовые переходы» (VIII класс)

I этап. На данном этапе учитель знакомит учащихся с понятием «фаза» как областью пространства, физические свойства которого одинаковы во всем объеме. Здесь и далее для эффективного включения механизмов воображения уместно «поэксплуатировать» воду.

II этап. Учитель предлагает учащимся начертить три прямоугольника с названиями фаз вещества, как это сделано на рисунке 1, предупредив их о необходимости оставить над прямоугольниками место в 4—5 строк (сам учитель делает данную заготовку перед началом урока).

Рис. 1

Далее учитель задает учащимся вопрос: «Из какой фазы в какую может переходить вещество, например вода?»

Практика показывает, что учащиеся легко называют следующие переходы:

• из твердой фазы — в жидкую;

• из жидкой фазы — в газообразную;

• из газообразной фазы — в жидкую;

• из жидкой фазы — в твердую.

Не исключено, что кто-либо из учащихся добавит и еще два перехода:

• из твердой фазы — в газообразную;

• из газообразной фазы — в жидкую.

В таком случае следует обратиться к классу с вопросом: «Все ли согласны с возможностью осуществления двух последних переходов?»

Чаще всего в результате возникающей дискуссии учащиеся сами приходят к мнению о том, что, прежде чем превратиться в газ, твердое вещество, пусть на самое короткое время, должно перейти в жидкую фазу и т.д.

Если учащиеся все же не придут к такому мнению, учитель должен их подтолкнуть к нему посредством наводящих вопросов.

Далее учитель предлагает все «узаконенные» переходы обозначить на схеме стрелками (рис. 2).

Рис. 2

Теперь учащимся предлагается дать названия обозначенным фазовым переходам, начав с перехода вещества из твердой фазы в жидкую.

Зачастую учащиеся называют данный переход таянием (поскольку в качестве примера мы договорились использовать воду). Здесь следует напомнить учащимся, что на примере процессов, происходящих с водой, мы исследуем явления, которые могут происходить с самыми разными веществами. После такого напоминания учащиеся быстро дают данному переходу правильное название — «плавление».

Не вызывает затруднений и название перехода вещества из жидкой фазы в твердую — «испарение».

С оставшимися переходами может произойти заминка. Тем не менее следует дать возможность учащимся высказать свои версии, ни в коем случае не подвергая их резкой критике. В случаях, когда учащиеся предлагают названия, имеющие право на существование, но отличающиеся от общепринятых (например, можно услышать вместо «кристаллизация» — «отвердение»), следует заметить им, что мы все же не первооткрыватели и будем называть соответствующие переходы так, как это было принято до нас — «конденсация» и «кристаллизация».

Далее учащимся предлагается над стрелками, обозначающими фазовые переходы, написать соответствующие названия, после чего наша схема принимает вид, показанный на рисунке 3.

Рис. 3

III этап. Учитель предлагает учащимся с помощью имеющейся схемы сформулировать определения четырех фазовых переходов. Опыт показывает, что они легко справляются с данной задачей:

• Плавлением называют переход вещества из твердой фазы в жидкую.

• Испарением называют переход вещества из жидкой фазы в газообразную.

• Конденсацией называют переход вещества из газообразной фазы в жидкую.

• Кристаллизацией называют переход вещества из жидкой фазы в твердую.

IV этап. Учитель предлагает учащимся ответить на вопросы:

1) Отличаются ли чем-либо молекулы льда, воды и водяного пара, взятые в количестве 1 шт.?

2) Чем отличаются по молекулярному строению лёд, вода и водяной пар?

3) Чем определяется внутренняя энергия тела?

4) Чем определяется температура тела?

5) Может ли вещество в разных фазах иметь одну и ту же температуру?

Обычно на первые четыре вопроса учащиеся легко дают ответы:

1) Не отличаются.

2) Взаимным расположением молекул.

3) Внутренняя энергия тела определяется движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело.

4) Температура определяется средней кинетической энергией молекул тела.

Если учащиеся затрудняются ответить на пятый вопрос, следует предложить им проделать следующий мысленный эксперимент.

В помещение, в котором поддерживается постоянная температура 0 °С, вносят лед, температура которого меньше нуля, и воду, температура которой выше нуля.

Вопрос. Какой физический процесс происходит в ходе эксперимента? (Теплопередача.)

Вопрос. Каков механизм теплопередачи? (Теплопроводность.)

Вопрос. До какого момента будет происходить теплопередача?

Ответ. Теплопередача будет происходить до тех пор, пока температуры льда, воды и воздуха в помещении не сравняются. Поскольку в условии эксперимента оговорено, что температура воздуха постоянна и равна 0 °С, теплопередача прекратится, как только лёд и вода достигнут температуры 0 °С.

Вывод. Вещество в разных фазах может иметь одну и ту же температуру.

Вопрос. Что больше — внутренняя энергия одного килограмма льда, взятого при температуре 0 °С, или внутренняя энергия одного килограмма воды, взятой при той же температуре?

Ответ. Внутренняя энергия воды больше.

Вывод. Для перехода вещества из твердой фазы в жидкую веществу следует передать некоторое количество теплоты.

Аналогично приходим к выводам о том, что при испарении тело также поглощает, а при конденсации и кристаллизации — выделяет некоторое количество теплоты.

Теперь учащимся предлагается усовершенствовать схему так, как это сделано на рисунке 4.

Рис. 4

Логика вводимых дополнений понятна учащимся: фазовые переходы, при которых количество теплоты поглощается телом, дополняются символом «+Q», переходы же, при которых количество теплоты выделяется, дополняются символом «–Q».

V этап. Учитель задает учащимся вопрос: «Одинаковое ли количество теплоты потребуется для плавления 1 кг льда и 1 кг железа? »

Как правило, учащиеся интуитивно приходят к правильному ответу — разное, но тут же ошибаются, уточняя, что для плавления килограмма железа потребуется большее количество теплоты.

Здесь стоит пояснить учащимся, что под «плавлением» мы подразумеваем не некий технологический процесс, а непосредственно фазовый переход, которому предшествовало нагревание тела до температуры, при которой тело начинает плавиться. Температура эта называется точкой плавления. После этого пояснения учащимся предлагается рассмотреть таблицу 3 учебника.

В ходе рассмотрения учащимися таблицы 3 учитель определяет удельную теплоту плавления вещества л как количество теплоты, которое поглощает твердое тело массой 1 кг при температуре плавления для перехода в жидкую фазу.

Вопрос. От чего, кроме удельной теплоты плавления, зависит количество теплоты, необходимой для перехода тела из твердой фазы в жидкую?

Ответ. От массы тела.

Вывод. Количество теплоты, необходимой для перехода тела из твердой фазы в жидкую, рассчитывается по формуле

Q= λ·m.

По аналогии вводятся понятие удельной теплоты парообразования Lи формула Q= L·m.

Примечание. При выводе последней формулы следует заострить внимание учащихся на том, что испарение может происходить при различных температурах и подробный разговор об этом будет на следующем уроке.

Учитель задает учащимся вопрос: «Какое количество теплоты выделяется при конденсации?»

Обычно учащиеся дают правильный ответ: «Такое же, как и при испарении».

Если учащиеся затрудняются с ответом, им следует попробовать применить закон сохранения энергии.

После этого учащимся предлагается дополнить схему формулами для расчета соответствующих количеств теплоты (рис. 5).

Рис. 5

VI этап. Учитель предлагает учащимся, используя имеющуюся у них схему, ответить на вопросы физического диктанта.

Учащиеся закрывают тетради и учебники и на розданных учителем листах пишут физический диктант. Текст, диктуемый учителем, приводится ниже обычным шрифтом, дополнения школьников — курсивом:

1) Плавлением называют переход вещества из твердой фазы в жидкую.

2) Испарением называют переход вещества из жидкой фазы в газообразную.

3) Конденсацией называют переход вещества из газообразной фазы в жидкую.

4) Кристаллизацией называют переход вещества из жидкой фазы в твердую.

5) При плавлении тело поглощает энергию.

6) При испарении тело поглощает энергию.

7) При конденсации тело выделяет энергию.

8) При плавлении тело выделяет энергию.

9) Количество теплоты, поглощаемой твердым телом при температуре плавления для перехода в жидкую фазу, рассчитывается по формуле Q= λ·m.

10) Количество теплоты, поглощаемой жидкостью при переходе ее в газ при данной температуре, рассчитывается по формуле Q= L·m.

11) Количество теплоты, выделяемой газом при переходе его в жидкость при данной температуре, рассчитывается по формуле Q= L·m.

12) Количество теплоты, выделяемой жидкостью при температуре плавления при переходе в твердую фазу, рассчитывается по формуле Q= λ·m.

VII этап (заключительный). Учащиеся, используя имеющуюся у них в тетрадях схему (см. рис. 5), проверяют написанные ими физические диктанты.