10.2.5. Демонстраційний експеримент

Загальна характеристика демонстраційного експерименту.

При викладанні технічних дисциплін демонстраційний експеримент відіграє важливу роль, забезпечуючи повне і всебічне розуміння фізичних явищ. Експеримент - це один із методів наукового дослідження та вивчення різних явищ і законів. Поряд із теорією він забезпечує науковість курсу і є основним засобом наочності в навчанні. Демонстраційний експеримент підвищує інтерес учнів до вивчення предмета й активізує їхнє мислення.

Демонстраційний експеримент є відображенням експери­ментального методу наукового дослідження. Треба так ставити демонстрації, щоби вони були не просто показом, а містили елементи дослідження. Тому демонстраційний експеримент слід частіше пов'язувати з постановкою експериментальної задачі або проблеми, а також використовувати для експери­ментального вирішення поставленої й обговореної проблеми.

Ставлячи демонстраційний експеримент, необхідно вико­нувати такі вимоги:

• забезпечити гарну видимість, наочність і переконливість досліду;

• забезпечити органічне поєднання показу експерименту з мовленням викладача і матеріалом уроку (темп проведення дослідів мусить відповідати темпові усного викладу матеріалу);

• забезпечити короткочасність досліду;

• забезпечити наукову вірогідність і правильне пояснення результатів досліду (необхідно усувати побічні явища, щоб учні бачили саме те, що їм хоче показати викладач);

• забезпечити надійність досліду;

• забезпечити естетичність і виразність демонстрації.

Виконання перерахованих вище вимог досягається спеціаль­но розробленою методикою і технікою постановки демонстра­ційного експерименту, що залежить від теоретичних знань і практичних навичок викладача, а також від якості наявного демонстраційного устаткування та приладів.

Педагогічна цінність демонстраційного досліду залежить не тільки від його ефективності в технічному плані, але й від гарної видимості та виразності.

Для поліпшення видимості застосовуються такі прийоми і засоби:

• збільшення розмірів установок і приладів;

• раціональне розташування устаткування і приладів: роз­ташування устаткування має відповідати схемі, накресленій на дошці; сполучні проводи мусять бути добре видні; найбільш важливі елементи схеми, на яких виявляється ефект досліду, мають бути виділені;

• використання монтажу на спеціальних панелях із великим графічним зображенням невеликих за розміром елементів схеми;

• застосування засобів посилення для підвищення ефекту досліду, а також високочутливих вимірювальних приладів, підсилювачів, осцилографів;

• створення контрастного фону для сприйняття досліду за допомогою спеціальних екранів і підсвічування.

Як правило, для постановки демонстраційних дослідів рекомендується така послідовність дій:

1. пояснення мети досліду або постановка завдання;

2. роз'яснення досліду за допомогою схеми або рисунка;

3. підготовка установки (або збирання схеми) та її пояснення;

4. виділення об'єкта спостереження, на якому виявляється ефект досліду (вимірювальний прилад, лампа, магнітна стрілка, екран осцилографа);

5. проведення демонстрації;

6. формулювання висновків (за активної участі учнів);

7. підбиття підсумків досліду.

Основні види демонстрацій з тем будь-якого курсу електро­техніки плануються викладачем заздалегідь з урахуванням наяв­ного устаткування та його технічних можливостей. Добір демон­страційних дослідів визначається методикою викладу матеріалу.

Намічені досліди мусять становити систему, у якій окремі демонстрації пов'язані одна з одною. Уточнення і конкретизація демонстрацій здійснюється під час підготовки до уроку. Проду­мується зміст демонстрації, методика та хід виконання досліду.

Експериментальні установки і прилади обов'язково мають бути перевірені напередодні уроку. Усі зауваження стосовно демон­страцій слід записувати в спеціальний журнал. Необхідно відзна­чати особливі деталі дослідів, незнання яких впливає на успішність виконання експерименту. Попередня підготовка до демонстрацій дослідів не повинна займати багато часу, тому її необхідно раціоналізувати. Демонстраційне устаткування (у справному стані) мусить зберігатися в спеціально призначених закритих ша­фах. При підготовці та проведенні демонстраційного експери­менту обов'язково повинні виконуватися вимоги техніки безпеки: наявність запобіжників у джерелах живлення, справність ізоляції проводів й електроустаткування, огородження доступу до відкритих струмопровідних частин установки тощо.

Показуючи досліди, необхідно зацікавити учнів, залучити та зосередити їхню увагу на сутності демонстрованого явища: показаннях приладів, запалюванні лампи тощо.

Для активізації уваги й мислення учнів необхідно давати короткі пояснення, звертатися до класу з питаннями, залучати учнів до планування експерименту, до прогнозування ходу яви­ща та результатів досліду, до самостійних висновків й узагаль­нень. Так, до постановки досліду слід задавати питання типу:

• що відбудеться, якщо увімкнути рубильник (збільшити опір, змінити частоту);

• пояснити, чому саме так буде відбуватися дослід.

Бажано залучати учнів, особливо слабких, до самостійного проведення дослідів. Спочатку для підготовки устаткування та приладів, а потім для постановки дослідів у процесі закрі­плення й повторення матеріалу.

Наведемо як приклад активізації пізнавальної діяльності учнів із залученням демонстраційного експерименту урок на тему «Ланцюг змінного струму з послідовним з'єднанням активного й індуктивного опору».

Проблемна ситуація, що може бути створена на цьому уроці, пов'язана із суперечністю між фізичними явищами в ланцюгах постійного й змінного струмів, яка виникає в уявленні учнів. Перед­бачається, що учні засвоїли матеріал теми «Постійний струм» та «Електромагнетизм», а також провідні характеристики змінного синусоїдного струму й закономірності процесів у ланцюгах змін­ного струму з активним, індуктивним і ємнісним опорами, включе­ними нарізно. Пояснення процесів у ланцюгах змінного струму про­водилося з використанням методу хвильових і векторних діаграм.

На попередньому уроці учні одержали завдання повторити такі питання:

• поняття про хвильові та векторні діаграми змінного струму й напруги;

• активний опір у ланцюзі змінного струму;

• індуктивний опір у ланцюзі змінного струму.

Пояснення нового матеріалу починається з демонстра­ційного експерименту. На стенді змонтована електрична схема. До ланцюга змінного струму з послідовним з'єднанням R і L підведена змінна напруга. Джерелом напруги може бути мережа змінного струму або (що краще) генератор звукової частоти. Залежно від типу джерела (частота, величина напруги) добираються й інші елементи схеми: котушка індуктивності, резистор, вольтметри, амперметр (або міліамперметр). Схема з'єднання електроелементів накреслена на дошці викладачем.

Далі починається бесіда, приблизний текст якої наведено нижче.

Викладач: Подивіться на цей стенд. На ньому зібрана схема, всі елементи якої вам добре знайомі. Тут котушка, навита з мідного електричного проводу. Паралельно їй увімкнений вольтметр, а послідовно - амперметр. У такий спосіб можна вимірювати струм у ланцюзі й напругу на котушці. До схеми підключене джерело постійної напруги. Якими є величини струму й напруги на котушці?

Учень: Струм дорівнює З А, а напруга - 6 В.

Викладач: Правильно. Яким є опір котушки?

Учень: Для визначення його величини скористаємося законом Ома: опір котушки дорівнює 2 Ом.

Викладач: Правильно. Тепер відключимо джерело постійного струму і, нічого не змінюючи в схемі, підведемо до неї змінну синусоїдну напругу від мережі, причому її діюче значення теж буде становити 6 В, тобто дорівнювати постійній напрузі в першому досліді. Подивимось на шкалу амперметра. Як переключення джерела відбилося на величині струму, відліченої за амперметром?

Учень: Струм різко зменшився. Його величина становить усього 0,4 А, - міркує. - У чому ж справа? Адже напруга за величиною не змінилася, тільки стала змінною... А прилади придатні для змінних струмів і напруг?

Викладач: А ви подивіться на умовні позначки на шкалі. На які величини вони розраховані?

Учень: (розглядає шкали приладів) На змінні й постійні. Отже, справа не в приладах.

Викладач: Так, справді, прилади тут ні до чого. Тут щось інше.

Учень: Можливо, закон Ома тут вже не спрацьовує, і струм треба розраховувати за якоюсь іншою формулою? Утім ні, адже Ви тільки вчора пояснювали нам, що закон Ома справедливий і для змінного струму.

Викладач: У чому ж справа? Чому величина струму в ланцюзі настільки різко зменшилася? З'ясувати причину цього явища для нас надзвичайно важливо. Адже котушка індуктивності - широко розповсюджений елемент багатьох приладів, апаратів, пристроїв автоматики, телемеханіки, радіоелектроніки (перелік прикладів видозмінюється залежно від професійної спрямо­ваності). Ви поки що не можете пояснити цього явища, тому що не усвідомлюєте повною мірою фізичних процесів, які відбу­ваються в котушці індуктивності при її включенні в ланцюг змінного струму.

Таким чином, не тільки цілком сформована проблемна си­туація, але й відкинуті принаймні дві помилкові гіпотези. Одна з них - неможливість застосування закону Ома, інша - необхід­ність заміни вимірювальних приладів. Створюється можливість для вірного вирішення проблеми: висновку про те, що під час увімкнення змінної напруги в котушці виявляє себе принципово новий вид опору, відсутній при включенні джерела постійного струму. На цьому прикладі можна простежити виконання деяких загальновизнаних правил й умов створення проблемних ситуацій, оскільки ці правила й умови залишаються практично незмінними для всіх ситуацій, наявних в курсі електротехніки з основами промислової електроніки.

Створення проблемної ситуації базується на тих знаннях і вмін­нях, якими вже володіють учні. У наведеному прикладі неможливо створити таку проблемну ситуацію, яка буде «прийнята» учнями без засвоєння наступного кола знань і вмінь, пов'язаних із фізикою електрики й електротехнікою.

Проводячи евристичну бесіду й демонстраційний експери­мент, можна застосовувати різні прийоми.

1. Використання якісної або кількісної задачі. Задачу треба поставити так, щоб учні не змогли розв'язати її остаточно й відчули недостатність своїх знань. Наприклад, перед початком вивчення ланцюгів змінного струму з паралельним з'єднанням приймачів пропонується задача з визначення величини струму в нерозгалуженій частині ланцюга за заданим значенням струму в активному опорі. Учні знають перший закон Кірхгофа, але розв'язати задачу не можуть, тому що не знають його співвідно­шення для змінного струму.

2. Вибір одного шляху розв'язання з кількох можливих. Проблема вибору оптимального варіанта розв'язання задачі постійно постає у виробничій і проектній практиці. У навчаль­ному процесі така проблема виникає, наприклад, під час розв'язання задач із надлишковими даними.

3. Використання логічних прийомів (порівняння, попереднє узагальнення даних, висування суперечливих гіпотез).

4. Застосування знань у нових умовах, відмінних від тих, у яких набувалися теоретичні знання. Наприклад, після вивчен­ня на уроці правила визначення напрямку індуктованої ЕРС або напрямку руху провідника зі струмом у магнітному полі можна змінювати задані й шукані величини, вид рисунка й схему розташування окремих його елементів. Відомими (рані­ше зустрічалися) для учнів будуть зміст рисунка і правило, яке треба застосувати. Новими умовами, що створюють проблемну ситуацію, є зміна виду рисунка, заданих і шуканих величин.

5. Зміна звичного розташування елементів схеми. Цей спосіб дозволяє перевірити розуміння учнями істотних ознак будь-якого варіанта з'єднання приймачів (послідовне, паралельне, зірка, трикутник).

6. Вивчення динаміки процесу в статичних схемах, графіках і діаграмах. Такі проблеми характерні для електротехніки. Розуміння схеми й ролі окремих її елементів найкраще переві­ряється постановкою питань, пов'язаних із можливою зміною режиму роботи схеми: як зміниться величина струму в ланцюзі при здійсненні якої-небудь комутації, чи загориться лампа, чи спрацює реле тощо.

Вибір типу проблемної ситуації залежить від конкретного мате­ріалу. Проблемні питання повинні ставитися перед учнями вміло, обов'язково з урахуванням наявних у них знань. У протилежному разі завдання може виявитися занадто простим і не призведе до створення проблемної ситуації або буде занадто складним і непо­сильним для учнів. Тому потрібно ретельно добирати матеріал, аналізувати його структуру, виявляти суперечливі положення, ураховувати особливості засвоєння цього матеріалу учнями.

Поставлені проблеми мусять зацікавити учнів, тільки в тако­му разі вони будуть намагатися активно шукати вирішення. Виконанню завдання сприяє зв'язок змісту проблеми з майбут­ньою спеціальністю учнів, розгляд реальних практичних проблем науки.

На підставі сказаного вище уявляється можливим розробити алгоритм діяльності викладача під час конструювання про­блемних технологій навчання.