2.3 Формування дослідницької компетенції учнів у шкільному курсі фізики
Процес шкільного навчання обмежений тимчасовими рамками, але
«переступити» за межі відведеного для уроків часу можна за допомогою навчальних завдань на творче застосування знань дітьми, що мають різний рівень навчально - пізнавального досвіду.
Рішення таких завдань розвиває у дітей пізнавальний інтерес, уміння ставити перед собою мету, визначати план дій, рівень знань, уяву, абстрактне мислення, аналіз , синтез .
Адже використання вчителем творчих завдань є одним з основних умов створення єдиного навчального простору на уроках фізики і поза ним, а також формування однієї з основних ключових компетенцій в учнів – дослідницької.
Дослідницьку компетенцію ми будемо розглядати виходячи з такого розуміння понять як «компетенція» та «компетентність». Компетенція – це об’єктивна категорія, суспільно визнаний рівень знань, умінь, навичок, ставлень тощо у певній сфері діяльності людини як абстрактного носія. Компетентність – це інтегративне утворення особистості, що поєднує в собі знання, уміння, навички, досвід і особистісні якості, які обумовлюють прагнення, готовність і здатність розв’язувати проблеми і завдання, що виникають в реальних життєвих ситуаціях, усвідомлюючи при цьому значущість предмету і результату діяльності [3, с. 29]. Компетенція є нормативною, ідеальною метою освітнього процесу, що моделює якості учня, а компетентність – його результатом, рівнем прояву (сформованості). Поняття “компетенція” пов’язане із змістом сфери діяльності, а “компетентність” – з особистістю, із здатністю особи ефективно діяти у стандартних і нестандартних ситуаціях. Компетентність виявляється в успішно реалізованій у діяльності компетенції і включає особисте ставлення до предмету і продукту діяльності. У компетентності поєднуються об’єктивно визначені нормативними документами система знань, умінь і навичок, а також особистісна складова – інтереси, прагнення, ціннісні орієнтації, мотиви самореалізації індивіда [4, с. 52].
Дослідницька компетентність показує рівень розвитку мислення та їх дослідницьку активність учнів:
бачити та виокремлювати проблеми, висловлювати припущення
про їх розв`язання;
уміти поставити задачу, виявити її умови;
уміння будувати припущення про можливі причини та наслідки явищ
матеріального та ідеального світу, висувати гіпотези, обґрунтовувати їх.
В якості типових елементів дослідницької компетентності учнів виділяється здатність людини здійснювати:
цілепокладання, тобто виділення цілі діяльності;
цілевиконання, тобто визначення предмета, засобів діяльності,
реалізації дій, які вже намічені;
рефлексію, аналіз результатів діяльності, тобто співвідношення
досягнутих результатів з метою, яка була поставлена.
Виходячи з цього , одним із завдань вчителя є формування навчально - дослідницької компетентності учнів. В її структурі визначаються наступні взаємопов'язані компоненти : мотиваційний , когнітивний , процесуальний , рефлексивний .
Мотиваційний компонент навчально - дослідницької компетентності учнів відображає потреби школярів займатися навчально - дослідницькою діяльністю. Для формування потреби в оволодінні інформацією вчитель пропонує знайти відповіді на деякі цікаві запитання. [ 2 , 3 ]
Зміст когнітивного компонента дослідницької компетентності являє собою систему знань , необхідних для виконання самостійного навчального дослідження: знання про досліджуваний об'єкт, про можливі способи пошуку, обробки та використання інформації , знання учнів про наукове пізнання , його функції і способи здійснення навчального дослідження .
Здійснення самостійного навчального дослідження передбачає також володіння учнем системою дослідницьких умінь , що становлять зміст процесуального компонента дослідницької компетентності . Для формування цих умінь вчитель пропонує нестандартні завдання. Рішення таких завдань розвиває у дітей пізнавальний інтерес , уміння ставити перед собою мету , визначати план дій, рівень знань, уяву , абстрактне мислення, аналіз , синтез.
Адже використання вчителем творчих завдань є одним з основних умов створення єдиного навчального простору на уроках фізики і поза ним. Це дозволяє учням з великим захопленням виконувати ту роботу , яка ними обрана самостійно. Адже діяльність будується не в руслі навчального предмета , а з опорою на захоплення дітей
Тому, як бачимо, організація педагогічного процесу, спрямованого на формування дослідницької компетентності, має свою специфіку.
Дослідницька компетентність може бути сформована тільки в дослідницькій діяльності . Ключові поняття , які визначають необхідні умови для організації такого роду діяльності учнів у школі, наступні : пошук, самостійність, ініціатива, практична дія, експеримент, спільна робота, протиріччя , різні точки зору.
Якісна робота у розвитку компетенцій визначається, перш за все, професійною майстерністю вчителя. Для того щоб діяльність учня стала дослідницькою , педагог у своїй освітній програмі повинен виділяти наступні завдання - навчити школяра методам, принципам, формам і способам наукового дослідження , основам наукового знання та наукового пізнання , дати можливість самореалізуватися учню через рішення задач наукового характеру за індивідуальною темою. При цьому дослідник повинен чітко уявляти, що він повинен отримати, яким чином і коли зможе досягти кінцевого результату. Для включення в самостійне дослідження учнів, вчителю необхідно самому вміти здобувати нові знання , вміти застосувати на практиці методи наукових досліджень, самостійно отримувати нові наукові знання, володіти сучасними методами збору первинних даних , їх обробки, отримання оригінальних карт, схем, графіків, розрахунку показників і індексів .
Перш ніж почати організовувати дослідницьку діяльність учнів як інноваційної результативної технології навчання, педагог повинен визначити не тільки те, чи є у нього мотивовані учні, але і чи є у нього самого можливості створити необхідні умови успішної реалізації їх творчих здібностей. При цьому важливо, щоб педагог усвідомив для себе, чи можливий для нього подібний рід діяльності, чи є у нього необхідний науковий і педагогічний потенціал , чи володіє він сам методикою і методами наукового дослідження і, головне, чи зможе він навчити ним свого учня. Після такого самовизначення педагога як наукового керівника учня можна приступати до реалізації спільних завдань.
В організації діяльності формування дослідницької компетентності школяра слід взяти до уваги і психологічний компонент педагогічної взаємодії . Тільки за наявності взаємин , коли учень і вчитель працюють на рівних і шанобливо ставляться до " наукової " позиції один одного, створюється сприятливий психологічний мікроклімат , що позитивно впливає на розвиток індивідуальності дитини і результати його самореалізації.
У багатьох педагогічних та методичних роботах дослідження розглядається майже як педагогічна панацея, що дозволяє подолати багато проблем сучасної шкільної освіти - від формування нового рівня розуміння навчального матеріалу до професійної орієнтації та особистісного самовизначення учнів. Однак власний досвід організації навчальних досліджень дозволяє виділити ряд складнощів, що стосуються індивідуальних особливостей учня , з якими кожен педагог стикається в ході подібного роду діяльності. Це такі проблеми: вибір теми дослідження, особливості самоорганізації учня, динаміка робочої активності протягом року, представлення результатів роботи .
Одна з перших і , на мій погляд , найбільш значущих труднощів дослідницької діяльності - це вибір теми роботи . Вважаю, що до питання вибору теми для дослідження необхідно підходити серйозно. Ця тема повинна бути дуже цікава і самому школяреві і науковому керівнику, бажано навіть припустити, приверне чи вона увагу майбутньої аудиторії під час презентації результатів роботи . Визначення тематики дослідження викликає труднощі не тільки в учня , а й у вчителя . Дані складності можна пояснити і невеликим досвідом дослідницької діяльності сторін , і особливостями традиційного шкільного вивчення наукового матеріалу, коли зміст викладається в готовому вигляді в якості достовірного абсолютного знання , а для дослідника важливі не тільки і не стільки затверджені знання, скільки проблеми , неясності і питання. Ще є важлива обставина, що утрудняє вибір теми, - у шкільній роботі особливо актуальна проблема співвідношення наукової новизни і практичної значущості роботи . Часто обрана тема не відрізняється новизною, але важлива з позиції виховання і особистісного розвитку. Допомога наукового керівника учневі у визначенні напрямку дослідження - це завжди відповідальність, тому що на цьому етапі формується не тільки вибір теми самоосвіти і саморозвитку учня і вчителя, але закладаються передумови для подальшого вибору дитини, що визначає бажання продовжувати дослідницьку діяльність.
Проблема самоорганізації пов'язана з необхідністю для учня самостійно будувати свою роботу. У традиційній шкільній освіті учень не планує свою роботу, а діє " реактивно ", виконуючи завдання вчителя. Ефективність дослідження як засобу особистісного розвитку має зворотним боком якраз невміння школяра планувати і здійснювати власні дії. Тут важливо педагогу вчасно, поки не пропав у дитини інтерес до роботи з причини " я не знаю, нічого не вмію, у мене не вийде", зуміти підтримати віру учня у власні можливості і ресурси . У цій ситуації зазвичай школяреві допомагає зняти страх власної неспроможності організація регулярних щотижневих загальних зустрічей і консультацій, крім того ефективно формування плану дій з визначенням зразкових термінів, розбивка кожного етапу дослідницької діяльності на конкретні завдання.
Наступна проблема - динаміка робочої активності школярів протягом року. Як правило , на початку року спостерігається трудове піднесення , після чого йде плавний спад, що закінчується кризою, потім " плато " активності до весняних конференцій, коли діти знову знаходять високий рівень працездатності . Така особливість активності визначається незвичною формою діяльності, відсутністю шаблонів, алгоритмів в численних дослідах, обробки даних соціологічних опитувань та анкетування, вивчення наукової літератури з вмістом далеко не шкільного рівня і т.п. Тут знову важлива роль педагога як мотивуючого фактора, слід ще раз визначити , що було досягнуто в ході роботи, особливо підкреслити успіхи учня в дослідженні , нехай навіть отримані дані не відповідають очікуваним і передбачуваним результатам, звернути увагу на успішність розвитку учня як дослідника , відзначити розвиток його вмінь наукової діяльності. Дуже позитивно впливають в момент кризи участь школяра в заходах, де він може поділитися з проміжними результатами свого дослідження, наприклад, виступ на уроці, участь в оцінці результатів інших учнівських досліджень.
Виділяючи значимість учнівського дослідження слід зазначити , що школяр , здійснюючи дослідницьку діяльність, вирішує поставлені завдання через евристичні підходи, не використовуючи відомі алгоритми . У цьому виявляється неалгоритмічність дослідницької компетентності. Учень, який займається дослідницькою роботою, здатний переносити дослідницький підхід на різні сфери діяльності і застосовувати в різних ситуаціях , що підтверджує функціональність, універсальність дослідницької компетентності. Багатовимірність дослідницької компетентності підтверджується застосуванням учням в дослідницькій діяльності аналітичних, критичних, комунікативних та інших умінь, а також особистісних якостей. Дана компетентність мобільна, рухлива, варіативна в будь-якій ситуації і на будь-якому предметному матеріалі .
Таким чином , дослідницька компетентність є підставою для розвитку інших більш конкретних і предметно - орієнтованих компетентностей, оскільки допомагає учневі навчатися, дозволяє стати йому більш гнучким , конкурентним, допомагає бути більш успішним у подальшому житті , що і визначає значимість її формування.
На закінчення слід підкреслити, становлення дослідницької компетентності учнів в освітньому процесі відбуватиметься ефективно, якщо створити такі педагогічні умови: зміст освіти орієнтоване на формування готовності учнів до дослідницької діяльності і задовольняє принципам проблемності , направлено на розвиток універсальних способів пізнавальної діяльності; організація освітнього процесу ставить учня в активну позицію дослідника, який володіє універсальними способами пізнавальної діяльності , залучає до критичного аналізу; вчитель здійснює керівництво дослідницькою діяльністю учнів і психолого-педагогічну підтримку її на основі сформованої у нього готовності до такої роботи.
Методика проведення навчального фізичного експерименту при вивченні теми «Напівпровідники та напівпровідникові прилади» у профільному класі
В сучасній програмі з фізики в темі «Електричний струм» зосереджена значна частина курсу електрики, надзвичайно насичена запитаннями великого наукового і практичного значення. На сьогодні планування даної теми для профільних класів складає 38 годин, а на вивчення теми «Провідники та напівпровідникові прилади» відводиться 14 годин (3 години на тиждень).
При вивченні теми «Напівпровідники та напівпровідникові прилади» у профільному класі навчальна програма пропонує вивчення таких тем:
1.Електропровідність напівпровідників та її види.
2.Власна і домішкова провідності напівпровідників.
3.Електронно – дірковий перехід: його властивості і застосування.
4. Напівпровідниковий діод. Транзистор.
5.Напівпровідникові прилади та їх застосування.
Не дивлячись на широту і різноманітність питань, що входять до даної теми, в ній чітко встановлюється логічний зв’язок, який об’єднує весь цей досить об’ємний матеріал.
Зміст теми про електропровідність тіл в сучасному курсі фізики не може не бути доповнений питаннями про провідність напівпровідників, оскільки напівпровідники стали основою технічного прогресу. Вони настільки поширилися, що зараз неможливо знайти галузь науки, техніки чи побуту, в якій би не застосовувались ті або інші напівпровідникові прилади. В наш час напівпровідники дуже широко використовуються в народному господарстві, в радіотехнічній і науковій апаратурі, в сучасних електро – обчислювальних машинах. Створено напівпровідникові сонячні батареї, термоелектрогенератори та інші прилади.
Беручи до уваги величезне значення напівпровідників в системі знань назріла необхідність ввести їх в курс фізики. Вперше навчальний матеріал про провідники було включено в програму з фізики для середньої школи в 1964 році.
На основі змісту навчального матеріалу з теми «Напівпровідники та напівпровідникові прилади» можна сформувати цілісну систему завдань, наведених в програмі з фізики:
Сформувати в учнів уявлення про напівпровідники та їх основні
властивості.
З’ясувати з учнями механізм електропровідності в чистих
напівпровідниках та напівпровідниках при наявності домішок.
Розкрити фізичну суть процесів, які відбуваються на межі контакту
двох напівпровідників із різними типами провідності під дією зовнішнього електричного поля.
Ознайомити учнів з будовою і принципом дії напівпровідникових
приладів.
У посібниках рекомендується такий порядок вивчення теми «Напівпровідники та напівпровідникові прилади» :
1.Напівпровідникові речовини та їх властивості. Залежність опору напівпровідників від температури й освітлення.
2. Природа провідності напівпровідників(електронна і діркова).
3. Застосування напівпровідників у техніці: термістори, транзистори.
При розгляді першого питання слід врахувати , що учням уже відомо, що залежно від ступеня електропровідності різні речовини поділяються на провідники, діелектрики та напівпровідники.
Слід наголосити, що основною ознакою, за якою певну речовину відносять до напівпровідників, є залежність її фізичних властивостей від різних діючих чинників, особливо від нагрівання та освітлення.
На відміну від металів, опір напівпровідників, як діелектриків, зменшується з нагріванням, тобто напівпровідники мають негативний температурний коефіцієнт опору.
Зміну опору напівпровідників з нагріванням демонструють таким чином. Складають схему з послідовно сполучених джерел струму, демонстраційного гальванометра й термоопору. Джерело струму і гальванометр, підбирають так, щоб при пропусканні струму стрілка приладу відхилялась на 1-2 поділки. Послідовно нагрівають запаленим сірником оголену оголену ділянку одного із з’єднувальних проводів, о потім і термоопір. Під час досліду спостерігається різке збільшення струму в колі при нагрівання термоопору, в той час як при нагріванні з146єднувальних проводів струм трохи зменшується.
Учням потрібно розповісти, що великий негативний температурний коефіцієнт напівпровідників дає змогу виготовляти з них прилади, що називаються термоопорами або термісторами.
Для вивчення термістора спочатку слід продемонструвати зразки фабричних термісторів. Якщо немає фабричного, виготовляють саморобний, беруть однакові за вагою кількості окислу міді й оксиду марганцю і розтирають їх у ступці. Утворений порошок ретельно перемішують з невеликою кількістю клейстеру до утворення однорідної густої маси. Цією масою набивають вузьку скляну трубку, з якої потім за допомогою дроту витискують стержень. Прогрівають його в печі або над полум’ям газового пальника протягом однієї години.
Для вимірювання температури за допомогою термістора складають місткову схему (рис 1). В діагональ моста вмикають чутливий гальванометр, а в одне з плечей термістор. Міст спочатку збалансовують, тобто, опори його плечей підбирають такими, щоб стрілка гальванометра стояла на нулі. Коли термістор нагрівається, його опір зменшується і стрілка гальванометра відхиляється на певний кут. До гальванометра виготовляють додаткову шкалу й градуюють її в градусах. Для більшої наочності схему моста слід скласти на вертикальному стенді.
Рис.1 Місткова схема для вимірювання
температури за допомогою термістора
Контрольно – вимірювальні прилади, в яких використовуються напівпровідникові термоопори, успішно використовуються в сільському господарстві. Сконструйовано ґрунтовий напівпровідниковий електротермометр призначений для вимірювання температури ґрунту. Створено також електротермометр для зерносховищ, прилад для вимірювання вологості повітря, прилад для контролювання сушіння зерна.
Після того слід оцінити вплив освітлення на провідність напівпровідників. Для досліду потрібно використати фотоопір (ізолюючу підставку, на яку нанесено тонкий шар напівпровідникової речовини – сірчистий кадмій, сірчистий свинець), вставлений в футляр, що має отвір для проходження, й сполучений послідовно з демонстраційним гальванометром і джерелом струму сталої напруги(в 100-200В). При освітленні фотоопору гальванометр показує збільшення струму в колі.
Також потрібно наголосити, що на провідність напівпровідників може в ряді випадків впливати також електричне поле. Якщо підвести струм великої напруги до напівпровідника, то всередині його створюється електричне поле значної напруженості. При збільшенні останньої до величини, більшої за певну критичну, опір напівпровідника може різко зменшитися.
При вивченні питання про діркову провідність, доцільно продемонструвати моделі атомних кристалів(алмазу, кремнію, германію), для того щоб у дітей створити правильне уявлення про діркову провідність.
Також учням слід розповісти про властивості контакту між двома напівпровідниками, що мають різну провідність. Для пояснення розглядають процес, що відбувається при утворенні контакту між електронним і дірковим напівпровідниками. Бажано розглянути різні випадки вмикання запірного шару в коло електричного струму.
1) Напівпровідник із запірним шаром вмикають в коло з джерелом постійного так, щоб прикладена різниця потенціалів Е була спрямована від електронного напівпровідника до діркового(рис2,а). Тоді зовнішня різниця потенціалів Е збігається за напрямом з контактною Ек, що зумовить віддалення електронів і дірок від межі поділу, тобто збільшення опору запірного шару й послаблення струму в колі.
2)Змінюють напрям прикладеної різниці потенціалів на протилежний. Електрони й дірки наближатимуться до межі поділу, і опір запірного шару зменшиться, а струм у колі збільшиться(рис.2,б).
Рис. 2 Схема вмикання запірного шару в коло електричного струму
Явища, описані в пункті 1 і 2, повторюються, і в колі виникає пульсуючий струм. Таким чином приходимо до висновку, що електронно – дірковий перехід має однобічну провідність і може бути використаний для випрямляння змінного струму.
Розглянемо напівпровідникові прилади. З великої кількості напівпровідникових приладів з учнями розглядаються: термістори, напівпровідникові випрямлячі струму, фотоопори, термоелектрогенератори.
Термістори ми розглянули раніше.
Фотоопори. Перед тим, як розглядати застосування фотоопорів, слід пояснити їх будову. Для цього можна скористатися саморобним приладом, який виготовляють так. На скляну пластинку наклеюють дві мідні пластинки так, щоб між ними залишився зазор шириною кілька міліметрів(рис.3). Сірчистий свинець PbS розтовкують у ступці, розбавляють дистильованою водою і, заповнивши цією сумішшю зазор між мідними пластинками, просушують.
Рис. 3.Схема приладу, який використовують для пояснення фотоопорів
Застосування фотоопору можна продемонструвати за допомогою шкільного фотореле, розрахованого на живлення змінним струмом. Приєднавши навантаження так, щоб реле спрацьовувало на розмикання, демонструють автоматичне вимикання вуличного освітлення. Роль сонця відіграє електрична лампа, ввімкнена в мережу послідовно з реостатом(для плавного регулювання яскравості лампи).
Напівпровідникові випрямлячі струму. Для пояснення даного питання можна поставити дослід, що демонструє випрямну дію германієвого діода. В мережу змінного струму вмикають коло, яке складається з послідовно з’єднаних реостата на 1000Ом, германієвого діода й універсального гальванометра. Стрілка гальванометра відхиляється, тобто в колі проходить випрямлений струм, якщо вимкнути діод, то стрілка гальванометра стоїть на нулі (бо в колі проходить змінний струм).
Щоб показати учням складові частини випрямляча, треба виготовити стенд і закріпити на ньому всі частини випрямляча окремо.
Також для того, щоб поглибити уявлення учнів про напівпровідники можна запропонувати такі дві нескладні демонстрації.