физикс / physics / from_vasya / 1

Научно-методические основы ознакомления учащихся с экспериментальными методами физической науки. Структура физического эксперимента (на примере темы/раздела, программы/учебника «…» школьного курса физики по выбору студента). (167)

Формирование у учащихся экспериментальных умений

Значение и виды самостоятельного эксперимента учащихся по физике. При обучении физике в средней школе эксперименталь­ные умения формируются при выполнении самостоятельных ла­бораторных работ.

Значение лабораторных занятий по физике заключается в том, что у учащихся формируются представления о роли и месте экс­перимента в познании. При выполнении опытов у учащихся фор­мируются экспериментальные умения, которые включают в себя как интеллектуальные умения, так и практические. К первой группе относятся умения: определять цель эксперимента, выдви­гать гипотезы, подбирать приборы, планировать эксперимент, вычислять погрешности, анализировать результаты, оформлять отчет о проделанной работе. Ко второй группе относятся умения: собирать экспериментальную установку, наблюдать, измерять, экспериментировать.

Кроме того, значение лабораторного эксперимента заключает­ся в том, что при его выполнении у учащихся вырабатываются такие важные личностные качества, как аккуратность в работе с приборами; соблюдение чистоты и порядка на рабочем месте, в записях, которые делаются во время эксперимента, организован­ность, настойчивость в получении результата. У них формируется определенная культура умственного и физического труда.

В практике обучения физике в школе сложились три вида ла­бораторных занятий:

• фронтальные лабораторные работы по физике;

• физический практикум;

-домашние экспериментальные работы по физике.

Фронтальные лабораторные работы по физике. Фронтальные лабораторные работы - это такой вид практических работ, когда все учащиеся класса одновременно выполняют однотипный экспери­мент, используя одинаковое оборудование.

Фронтальные лабораторные работы выполняются чаще всего группой учащихся, состоящей из двух человек, иногда имеется возможность организовать индивидуальную работу. Соответст­венно в кабинете должно быть 15-20 комплектов приборов для фронтальных лабораторных работ. Всего таких приборов более 1000.

К приборам для фронтальных работ предъявляются опреде­ленные требования: они должны быть легкими, дешевыми, про­стыми в эксплуатации, иметь малые габариты, могут не иметь вы­сокого класса точности.

Хранят приборы в специальных ящиках, которые называются укладками. Укладка - это ящик с низкими бортами, в котором умещаются все приборы. Укладки с приборами размещаются на полках в шкафах, которые, как правило, располагаются в классе- аудитории, чтобы приборы было удобнее выставлять на столы и убирать, привлекая к этому учащихся.

Названия фронтальных лабораторных работ приводятся в учебных программах. Их достаточно много, они предусмотрены практически по каждой теме курса физики. Фронтальные лабо­раторные работы не очень сложны по содержанию, тесно связаны хронологически с изучаемым материалом и рассчитаны, как пра­вило, на один урок.

Фронтальные лабораторные работы весьма разнообразны, их можно классифицировать и выделить группы работ по:

• наблюдению физических явлений (взаимодействие магнитов, интерференция и др.);

• ознакомлению с приборами и выполнению с их помощью прямых измерений (измерение силы тока, напряжения, массы тела

и др.);

• выполнению косвенных измерений физических величин (измерение сопротивления проводника с помощью амперметра и вольтметра, измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источ­ника тока и др.);

• установлению зависимостей между физическими величинами, описывающими какой-то физический процесс (исследование зави­симости между силой тока и напряжением, между параметрами состояния идеального газа и др.);

-сборке и ознакомлению с принципом действия некоторых технических установок и приборов (сборка электромагнитного реле, детекторного радиоприемника и др.).

В зависимости от дидактических задач, которые решаются с помощью фронтальных лабораторных работ, их можно разделить на иллюстративные (проверочные) и исследовательские (эври­стические).

Иллюстративные работы выполняются с целью «проверки» изу­ченных закономерностей или полученного дедуктивного вывода.

Исследовательские работы выполняются с целью проверки ги­потез и получения новых знаний, они могут служить основой ин­дуктивного вывода.

Например, лабораторная работа по изучению законов после­довательного соединения проводников как иллюстративная про­водится после объяснения учителем и выполнения им соответст­вующего демонстрационного эксперимента. Если она проводится как исследовательская работа, то учащиеся сами в ходе ее выпол­нения приходят к законам последовательного соединения про­водников. При этом учитель организует деятельность учащихся таким образом, чтобы они проходили все этапы процесса иссле­дования: постановка задачи - выдвижение гипотезы - выбор экс­периментальных средств (приборов) - планирование эксперимен­та - выполнение эксперимента - анализ результатов - выводы.

Таблица 30

Этан	Деятельность учителя	Деятельность учащихся
Подго­ товка	Определение дидактической цели выполнения лабораторной работы и ее месга в структуре урока Разработка плана (конспекта) урока Подбор приборов. Проверка их исправности, осуществление экс­перимента 4 Вычисление noipeninocieii экс­перимента, выбор оптимального метода выполнения эксперимента	I. Повторение теоретического материала Повторение правил действия с приборами, используемыми в лабораторной работе * Решение задачи, аналогич­ной той, которая будет решать­ся экспериментально Составление плана выполне­ния работы
Выпол­ нение	Проведение вводной беседы Организация деятельности учащихся Наблюдение за работой уча­щихся, оказание им необходимой помощи Фиксация результатов работы учащихся	Выполнение работы Оформление отчета о работе Фиксация результатов и их анализ
Подве­ дение итогов	Оценивание работы учащихся Организация анализа и обсуж­дения результатов работы Рефлексия (оценка собственной деятельности)	Участие в обсуждении ре­зультатов работы Рефлексия (анализ собствен­ной лея гельности)

Инструкции по выполнению лабораторных работ содержатся в учебниках физики, однако в зависимости от дидактической цели их выполнения, от подготовленности учащихся, от уровня фор­мируемых у них умений учитель либо предлагает пользоваться готовой инструкцией, либо вырабатывает план выполнения рабо­ты совместно с учащимися, либо предлагает им сделать эго само­стоятельно.

Проведение любой фронтальной лабораторной работы вклю­чает три этапа: подготовку, выполнение, подведение итогов. На

каждом из этих этапов учителем и учащимися выполняется опре­деленная деятельность, она представлена в таблице 30 (действия, отмеченные звездочкой, выполняются в зависимости от дидакти­ческой задачи).

При проведении вводной беседы учитель выявляет подготов­ленность учащихся к сознательному выполнению работы, опреде­ляет вместе с ними ее цель, обсуждает ход выполнения работы, правила работы с приборами, методы вычисления погрешностей измерений.

Отчет учащихся о работе должен содержать:

1. Название работы.

2. Цель.

3. Перечень приборов и материалов.

4. Рисунок установки, схему цепи (там, где это необходимо).

5. Таблицу значений измеряемых величин с указанием их еди­ниц и погрешностей измерений.

6. Вычисления (необходимые формулы и расчеты).

7. Вычисление погрешностей результата.

8. Анализ результатов и выводы.

Физический практикум. Физический практикум проводится с целью повторения, углуб­ления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспери­ментальных умении путем использования более сложного оборудо­вания, более сложного эксперимента; формирования у них само­стоятельности при решении задач, связанных с экспериментом.

Физический практикум не связан по времени с изучаемым ма­териалом, он проводится, как правило, в конце учебного года, иногда - в конце первого и второго полугодий, и включает серию опытов по той или иной теме.

Работы физического практикума учащиеся выполняют в группе из 2-3 человек на различном оборудовании; на следующих занятиях происходит смена работ, что делается по специально со­ставленному графику. Составляя график, учитывают число уча­щихся в классе, число работ практикума, наличие оборудования.

На каждую работу физического практикума отводятся 2 учеб­ных часа, что требует введения в расписание сдвоепиых уроков по физике. Это представляет затруднения. По этой причине и из-за недостатка необходимого оборудования практикуют одночасо­вые работы физического практикума. Следует отметить, что предпочтительными являются двухчасовые работы, поскольку работы практикума сложнее, чем фронтальные лабораторные ра­боты, выполняются они на более сложном оборудовании, причем доля самостоятельного участия учеников значительно больше, чем в случае фронтальных лабораторных работ.

Физические практикумы предусмотрены в основном програм­мами IX-XI классов. В каждом классе па практикум отводится примерно 10 часов учебного времени.

Работы практикума по­священы либо косвенным измерениям физических величин, либо изучению зависимостей между величинами, характеризующими то или иное явление.

Несмотря на то, что изучаемые зависимости уже известны учащимся и в этом смысле работы носят иллюстративный харак­тер. но тем не менее деятельность учащихся может быть органи­зована в логике экспериментального исследования. В этом случае они планируют эксперимент, подбирают и обосновывают выбор приборов и т.д.

Для проведения практикума используется специальное обору­дование, оно более сложное, чем для фронтальных работ, более точное. В кабинете следует иметь по 2-3 комплекта оборудования для каждой работы практикума. Комплектуется и хранится обо­рудование по работам; оно может быть собрано в специальные ящики, подобные укладкам для приборов к фронтальным лабора­торным работам.

Проведение практикума так же, как и фронтальных лабора­торных работ, включает три этапа: подготовку, выполнение, под­ведение итогов. Деятельность, которая выполняется учителем и учащимися на этих этапах, представлена в таблице 33.

Таблица 33

Этап	Деятельность учителя	Деятельность учащихся
Подготовка	Подготовка оборудования Выполнение работ, опреде­ление погрешности, опти­мальной методики выполне­ния эксперимента Подготовка описании- инструкции Составление графика ра­боты	Готовятся в соответствии с графиком: повт орение теоретического материала; знакомство (повторение) с теорией соот ветствующего эксперимента (приборы и установка, правила пользования приборами, методика проведения экс­перимента); оформление тетради
Выполнение	Проведение вводной бесе­ды на первом занятии по сле­дующему плану: задачи практикума; содержание практикума; организация работы; приемы измерении и вы­числение погрешностей; требование к от четам; правила безопасного труда Проверка подготовленно­сти учащихся к выполнению работ Наблюдение за работой учащихся	Отчет о подготовке к выполнению работы Самостоятельное выпол­нение работы либо по го­товой инструкции, либо самостоятельно разрабо­танной Вычисление почетно­стей измерений, анализ результатов
Подведение итогов	Проверка и оценка работы учащихся Рефлексия	Подгот овка и представ­ление от чета о работ е Рефлексия

Инструкция, которую готовит учитель по каждой работе, долж­на содержать: название, цель (познавательную задачу), список при­боров и оборудования, краткую теорию, описание неизвестных учащимся приборов, план выполнения работы, требование к отче­ту. В зависимости от уровня экспериментальных умений учащихся те или иные элементы инструкции опускаются. Целесообразно со­ставлять инструкцию в трех вариантах, рассчитанных на разную степень самостоятельности учащихся, с включением в них дополни­тельных заданий для успешно занимающихся учащихся.

Отчет учащихся о работе должен содержать: название работы, цель работы, список приборов, схему или рисунки установки, план выполнения работы, таблицу результатов, формулы, по ко­торым вычислялись значения величин, вычисления погрешностей измерений, выводы.

При оценке работы учащихся в практикуме следует учитывать их подготовку к работе, отчет о работе, уровень сформированно- сти умений, понимание теоретического материала, используемых методов экспериментального исследования.

Домашние экспериментальные работы. Домашние лабораторные работы - простейший самостоятельный эксперимент, который выполняется учащимися дома, вне школы, без непосредственного контроля со стороны учителя за ходом работы.

Главная задача экспериментальных работ этого вида:

-формирование умения наблюдать физические явления в при­роде и в быту;

• формирование умения выполнять измерения с помощью из­мерительных средств, использующихся в быту;

• формирование интереса к эксперименту и к изучению физики;

• формирование самостоятельности и активности.

Домашние лабораторные работы могут быть классифицированы

в зависимости от используемого при их выполнении оборудования:

-работы, в которых используются предметы домашнего оби­хода и подручные материалы (мерный стакан, рулетка, бытовые весы и т.п.;

-работы, в которых используются самодельные приборы (рычажные весы, электроскоп и др.);

-работы, выполняемые на приборах, выпускаемых промыш­ленностью.

Для организации домашней экспериментальной работы уча­щихся можно использовать так называемую мини-лабораторию, предложенную учителем-методистом Е.С.Объедковым, в кото­рую входят многие предметы домашнего обихода (бутылочки от пенициллина, резинки, пипетки, линейки и т.п.), что доступно практически каждому школьнику. Е. С. Объедков разработал весьма большое число интересных и полезных опытов с этим обо­рудованием.

Кроме того, промышленностью выпускаются различные кон­структоры (по оптике, электричеству, электромагнетизму), кото­рые могут быть использованы для домашнего эксперимента.

В последнее время появились фирмы, выпускающие школьное оборудование в виде как комплектов, так и отдельных приборов. Простейшие из этих приборов могут оказаться доступными для личного приобретения учащимися и войти в состав домашней ла­боратории.

Появилась также возможность использовать ЭВМ для прове­дения в домашних условиях модельного эксперимента. Понятно, что соответствующие задания могут быть предложены тем уча­щимся, у которых дома есть компьютер и программно-педагогическне средства.

Таким образом, в настоящее время имеются большие возмож­ности для организации домашней экспериментальной работы учащихся. Наибольший интерес она вызывает у учащихся основ­ной школы, которым могут быть предложены следующие, напри­мер, работы:

измерение скорости равномерного движения;

измерение вместимости сосуда;

измерение толщины листа бумаги;

измерение работы электрического тока;

наблюдение зависимости скорости диффузии от температуры и т.п.

Учащимся старших классов целесообразно предлагать работы более высокого уровня: конструкторские, исследовательские.

Результаты выполненных работ должны быть соответствую­щим образом оформлены (так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Их следует обязательно об­судить и проанализировать на уроке.

Погрешности измерений и их оценка. Точные числа получа­ются в результате подсчета каких-нибудь предметов, объектов (10 стульев, 20 столов и т.п.) либо по установке или договорен­ности: например, будем считать 270 точным числом. Иногда пишут 270 (точно). Если же значение величины получено в ре­зультате измерений и действий над этими измеренными величи­нами, то результат никогда не может быть точным, это принци­пиально: во всех случаях получается результат с какой-то по­грешностью.

Измерения бывают прямыми и косвенными. Прямое измерение - такое, в процессе выполнения которого значение физической ве­личины измеряется непосредственно с помощью прибора, напри­мер: силы тока - амперметром, длины - линейкой, скорости - спидометром и т.п.

Пусть при измерении получено значение физической величины Дь тогда результат измерения записывается в виде Л = Л₀ ± АЛ, где АЛ - абсолютная погрешность измерения, выражаемая в тех

же единицах, что иА₀. Выражение 8А = называют относи­ло

тельной погрешностью; относительная погрешность обычно вы­ражается в десятичных дробях или процентах (5Л = • 100%).

Л

Выражение A = A₀±Asl означает, что значение А измеряемой величины лежит в интервале значении, границами которого яв­ляются А₀ - АЛ и А о + АА. Этот интервал можно изобразить гра­фически на числовой оси (рис. 22). Более точными измерениями этот интервал можно уменьшать, но ликвидировать его принци­пиально нельзя.

• 1 1 1 ►

О /4-АЛ А А+АА

Рис. 22

Косвенное измерение - такое, при котором значение измеряемой величины получают на основе прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной определенной зависимостью.

Например, измерение сопротивления проводника - косвенное, значение сопротивления получают как частное от деления значе­ния напряжения на значение силы тока, полученных при прямых измерениях:

Д = у; U = U₀±AU\ / = /₀±Д/; R = R₀±AR.

Погрешности измерений деля! на систематические и случайные.

Систематические погрешности - те. которые остаются посто­янными по значению и по знаку лиоо меняются по определенному закону при повторных измерениях одной н той же величины од­ним и тем же прибором. Их причинами являются несовершенство приборов, метода, неправильная установка прибора, влияние температуры, влажности и др.

К систематическим погрешностям относятся:

-инструментальные, возникшие вследствие несовершенства конструкции прибора;

-погрешности метода, возникающие из-за несовершенства ме­тода измерений.

Инструментальная погрешность указывается в паспорте к при­бору.

Погрешности метода можно уменьшить, выбрав такой метод проведения эксперимента, в котором погрешность минимальна. Например, при измерении удельной теплоемкости вещества сле­дует горячее тело опускать в холодную воду, а не холодное тело - в горячее. В то же время погрешность метода полностью устра­нить зачастую не удается. В школьных лабораторных работах она не учитывается.

Случайные погрешности - такие, которые при повторных изме­рениях принимают различные взаимно несвязанные значения. Их причинами являются несовершенство органов чувств, непостоян­ство измеряемой величины, дискретность значений величин на шкале приборов и др.

К случайным погрешностям относятся:

- погрешность среднего арифметического, возникающая при многократных измерениях одной и той же величины с помощью одною и того же измерительного прибора (толщина проволоки в разных местах, длина стола, измеренная с разных сторон, и др.);

-погрешность отсчета, возникающая при снятии показания прибора; она принимается равной половине цены деления, исклю­чение сост авляет секундомер, у которого она равна цене деления.

При вычислении по1решности среднего арифметического оп­ределяется среднее арифметическое значение измеряемой величи­ны, отклонение значений от среднего арифметического и среднее отклонение. Полученная погрешность складывается с другими.

Следует иметь в виду, что метод среднего арифметического нельзя применять, если измерение обладает свойством воспроизво­димости (например, измерение массы одного и того же тела на од­них и тех же весах) Кроме того, нельзя вычислять среднее арифме­тическое значений величины, полученных разными учащимися, по­скольку каждый из них работает со своей экспериментальной уста­новкой и со своими приборами.

В школьных лабораторных работах учитывают, главным обра­зом, погрешность отсчета (0,5 цены деления), погрешность сред­него арифметическою в тех работах, где это имеет смысл.

В работах практикума учитывают и инстр)ментальную погреш­ность. Суммарная погрешность не превышает цены деления шкалы.

При вычислении погрешности косвенного измерения исполь­зуют три метода:

метод подсчета значащих цифр.

метод границ;

метод границ погрешностей (метод оценки).

Рассмотрим эти методы на примере конкретной лабораторной работы.

Предположим, что измеряется сопро­тивление резистора методом вольтметра и амперметра (рис. 23).

Рис. 23

При замыкании цепи амперметр пока­жет значение силы тока в ней, а вольтметр - значение напряжения на резисторе сопро­тивлением R.

Эти три величины связывает между со­бой закон Ома для участка цепи: I ⁼ ~j~>

откуда R-~Y' Напряжение измеряется с

погрешностью AU, а сила тока - А7. Вычислим погрешность изме­рения R (A R).

Метод подсчета значащих цифр

Пусть в эксперименте получены следующие значения: / = L5 А; U = 2,6 В. С учетом погрешности измерений / = (1,5±0.05)А; U = = (2,6±0,1) В. Тогда R = 2,6 В/1,5 А = 1,73 Ом.

В значении напряжения две значащие цифры и в значении силы тока - две, поэтому в результате должно остаться столько значащих цифр, сколько их в числе с наименьшим числом значащих цифр, т.е. тоже две. Используя правило округления, получаем R = 1,7 Ом.

Метод границ

При использовании метода границ находят верхнюю и ниж­нюю границы измеряемой величины. При этом нужно помнить правила определения границ значений величин (см. табл. 34).

Табчица 34

Действие над величинами	Верхняя граница (в)	Нижняя граница (и)
А - В + С	А в = Вв+ Св	А н — Вн Сн
А = В-С	А в — В в — Сн	Ап = Вн - Св
А = ВС	А в = ВвСв	Ап — ВнСн
А = В! С	А в — Вп/Сн	Ац = BJCb

Вычислим погрешность измерения сопротивления методом границ. Находим верхнюю и нижнюю границы:

/„ I-AI 1,45 А

_n U„ U - AU _п 2,5В _1Г1^

К_И = — = ; Я_н = = 1,6Юм.

I_B 1 + AI 1,5 5 А

Значение сопротивления R находим как полусумму верхней и нижней границ:

R = (R_B +Л„)/2; R = (1,86 Ом+1,6Юм)/2 = 1,735 Ом « 1,7 Ом.

R — R

Абсолютная погрешность AR = —^—— (рис. 24); AR =

= 2,86 Ом-1,61 Ом = 0,125 Ом ~ 0,1 Ом.

Таким образом, получаем R = (1,7 ± 0,1) Ом. Относительная Погрешность бR = AR/R = 0,1 Ом/1,7 Ом = 0,06.

Метод границ погрешностей (метод оценки)

Вычисление погрешности измерений этим методом основано на операции дифференцирования.

В таблице 35 приведены формулы для расчета погрешности косвенных измерений методом оценки.