Методика сбора данных по физике (стр. 2 )

Пример такой конкретной задачи: «У геологов, которые ведут исследования в горном, безлесном районе вышел из строя Дозиметр-радиометр поисковый МКС-РМ1402М. Все взрослые геологи были заняты, поэтому доставить прибор в экспедицию попросили сыновей геологов трех 10-классников Антона, Борю и Валеру». В процессе обсуждения способов решения задачи, учащиеся фиксируют и распределяют набор проектных и исследовательских задач:

А. Общая информация о некоторой области человеческой практики.

Основные ситуации, с которыми придется сталкиваться учащимся в горном безлесном районе при организация питания и ночного отдыха в горах.

Принципиальные варианты соответствующих технических устройств (конструкция, материал, типы размещения, режимы использования)

Б. Спецификация проблемы

Постановка более частных проблем в рамках общего тематизма. Например:

Как выбрать (спроектировать): примусы, топливо, котелки, палатки, спальные мешки.

теплые палатки и автоклавы – мало топлива

легкие палатки и котелки – больше топлива

В. Открытый перечень возможных исследовательских направлений:

Сравнение удельной эффективности разных видов топлива: теплоотдачи, скорости теплоотдачи, экологичности, непрерывности/прерывности процесса горения.

Сравнение энергопотребления при использовании разной посуды, в частности автоклавов. Исследование влияния материала, формы, наличия/отсутствия крышки …

Сравнение энергопотребления в условиях палатки и снаружи (внутри теплее, но меньше кислорода).

Сравнение льда и снега, как ресурса питьевой воды (разные затраты тепла на плавление).

Теплоемкость воды и камней, которые могут быть нагреты заранее, чтобы ночью поддерживать в палатке необходимый температурный режим.

Исследование теплоотдачи воды. Проверка пропорциональности количества отдаваемого тепла массе теплоносителя и разности температур. Что лучше для равномерного обогрева палатки ночью заранее нагреть мало воды до высокой температуры или больше воды до более низкой температуры, если количество топлива потратили одно и то же?

Зависимость скорости испарения (с ней связана скорость теплоотдачи) от площади поверхности, температуры, скорости ветра.

Теплопроводность различных утеплителей, используемых в спальных мешках.

Первые два блока информационной базы (А и Б) служат отправной точкой для самоопределения учащихся в постановке проектной задачи. Блок В выступает опорой для выделения требуемых видов физического исследования.

Оценка действий учащихся в рамках проектной работы осуществляется в процессе публикаций (презентаций) результатов и продуктов. На первых этапах учащихся приходится снабжать памяткой, в более старшем возрасте они самостоятельно организуют ситуации публикации. Ниже приводится вариант памятки, которая предлагается учащимся перед конференцией (6 – 7 классы):

·  Класс разбивается на команды, которые разрабатывают каждая свой раздел темы. Каждая команда получает 3-4 темы проекта. Проект надо разрабатывать так, чтобы это было полезно и интересно прочитать: полученный учебник будет предложен всем учащимся. Все проекты надо будет доложить на Конференции. Команда должна обеспечить доклады по всем выделенным ей темам, даже если кто-то из запланированных докладчиков заболел.

·  Один-два учащихся в течение месяца работают над проектом раздела учебника по выбранной теме.

·  Оформленный проект по выбранной теме должен быть сдан заранее. Проект включает: структурированный основной текст, написанный на понятном языке с необходимыми пояснениями (структурированный – это значит, что в нем выделены разделы, параграфы, пункты и т. п.); дополнительный материал, с которым интересно познакомиться; небольшое собственное исследование (эксперимент, домашний опыт, наблюдение).

·  Краткое выступление команды – 15 мин.(3-4 доклада);

·  Две другие команды задают по одному вопросу. Выступающей команде дается минута на обдумывание ответа.

·  Выступающая команда задает два вопроса другим командам. Дается по минуте на обсуждение, команды выступают по очереди

·  Команды, задающие вопрос, дают свой вариант ответа. Жюри подводит итоги либо после каждого этапа, либо в конце конференции.

4. Методика проведения устных и письменных зачетов

Зачет используется систематически в случае организации концентрированного обучения. При традиционной классно-урочной системе зачет проводится эпизодически. Как правило, проведение зачета предваряется заполнением листа самооценки. Это позволяет учащимся сформулировать запрос к учителю, согласовать вопросы, которые целесообразно выносить на зачет и выделить материал, который требует дополнительной проработки.

Проводить зачет можно индивидуально или в небольших группах (3-4 человека). Все задания, которые выносятся на зачет, можно разделить на несколько типов. Учитель, в зависимости от поставленных целей и специфики изучаемого материала может предлагать учащимся задания только одного типа или составлять комбинированные задания, например, экспериментальное задание и задание на работу с текстом.

Зачет может проводиться в устной, письменной, комбинированной форме. Рассмотрим основные виды работ, предлагающиеся ученику на зачете.

1) Вопросы тестового типа (со свободным или выборочным ответом). Целесообразно предлагать вопросы, требующие развернутый ответ с объяснением. Например: «Петя, отвечая на вопрос «Как измениться давление воздуха в шарике, если его сжать?» сказал, что давление уменьшится, т. к. для молекул будет меньше места и они станут цепляться друг за друга и поэтому медленнее двигаться. Прав ли Петя? Как бы ты ответил на этот вопрос?» Т. е. тут надо не только ответить на вопрос, но и отвестись к ответу другого ученика.

Может предлагаться серия вопросов, примерно как при проведении диагностики. Это удобнее проводить в виде устного зачета, когда у учителя есть «дерево» вопросов и каждый последующий вопрос выбирается в зависимости от ответа на предыдущий. Но можно и составить такое «дерево» на бумаге, когда учащийся будет переходить к тому или иному вопросу в зависимости от того, как он ответил.

2) Можно предложить учащимся составить задания для параллельного класса или для других учащихся из их класса. Необходимо сразу оговорить, какое задание составляют учащиеся. Это могут быть вопросы для теста с вариантами ответов; вопросы для устного опроса/зачета, задачи для контрольной работы и т. п.

При этом можно задать дополнительные условия, например, задания (задачи, вопросы) должны быть разной сложности, или должны быть на какое-то правило или закон, или должны быть расчетными и т. п. При составлении вопросов учащийся-составитель должен дать правильный ответ к своему вопросу/задаче или же он только составляет вопрос/задачу.

3) Предложить (описать или провести) эксперимент (реальный или мысленный), который доказывает/опровергает/иллюстрирует какое-то утверждение. Например, «как проверить, зависит ли сила трения от площади поверхности движущегося тела?» Или: «Дима утверждает, что при столкновениях молекул они останавливаются. Докажите или опровергните его утверждение».

Полное выполнение экспериментального задания («как проверить, зависит ли сила трения от площади поверхности движущегося тела?») с подробным описанием, что и как делали, лучше предлагать для групповой работы. Вопросы, связанные с мысленным экспериментом («Дима утверждает, что при столкновениях молекул они останавливаются. Докажите или опровергните его утверждение») или с частичным выполнением эксперимента лучше давать на индивидуальное выполнение или работу в парах.

Тут же задания на «частичное» выполнение экспериментальной работы. «Аня исследовала зависимость силы тока от напряжения и получила такие результаты (приводится таблица). По этим данным построй график зависимости и сделай вывод, как связаны сила тока и напряжение». «Чтобы проверить свою гипотезу, Сережа провел такой опыт. Как ты считаешь, получит ли он желаемый результат? Объясни свое мнение».

4) Задания «на опознание». Учащемуся предлагается блок из 10-15 задач, из которых он должен выбрать (только перечислить, не решать!) те, для решения которых применяется определенное правило, закон, формула. Можно предложить решить одну задачу из выбранных, можно ограничится только выбором «правильных» задач. Несколько иной вариант – написать о каждой из предложенных задач, какое правило, закон, формула необходимо для ее решения (решать задачу не надо).

5) Работа с текстом. Учащимся предлагается текст с пропусками, которые надо заполнить. Учащимся предлагается текст с ошибками, которые надо найти и исправить. Предлагается два или несколько текстов, при сравнении которых надо сделать определенный вывод.

5. Методика проведения урока со встроенной диагностикой

Наблюдение представляет собой стандартный диагностический метод. Особенно следует выделить стимулирующее наблюдение, при котором создается особая экспериментальная обстановка. Урок со встроенной диагностикой – позволяет оценить «зону ближайшего развития» класса, понять, на каком уровне опосредствования работает большинство детей.

Рассмотрим фрагмент экспериментального обучения, в котором реализован деятельностный подход к введению понятия механической работы. Перед рассматриваемым учебным блоком, посвященным введению понятия механической работы, ученики отвечали на вопрос: «Можно ли поднять груз больше собственного веса?». В реальном и виртуальном экспериментах были исследованы простые механизмы, дающие «выигрыш в силе» (рычаг, блок, наклонная плоскость, гидравлическая машина); были обнаружены (проверены) правила, позволяющие управлять простыми механизмами[1].

Новый шаг, который нам предстояло сделать вместе с учениками, состоял в открытии «золотого правила» механики – т. е. в обнаружении проигрыша в расстоянии (или скорости), который сопровождает выигрыш в силе. Для этого необходимо было выстроить ситуацию явного противоречия, организовать встречу житейского знания, натурального способа действия с сопротивляющейся реальностью. В данном случае мы имеем дело с парадоксальным «житейским», которое спровоцировано самим обучением и связано с необоснованным и неосознанным расширенным толкованием «выигрыша»: вместо диалектического «выигрывая в одном, проигрываем в другом», мы имеем дело с эмпирическим и натуральным неосознанным допущением: «выигрывая в одном, выигрываем во всем». Для решения поставленной задачи мы воспользовались «хорошим» моторчиком: сжигаемое им топливо пропорционально времени работы, а развиваемая им сила постоянна.

Ниже приводится сокращенное описание уроков.

Входная диагностика.

Учитель демонстрирует электромоторчик (см. рис. а), который поднимает грузик массой 50 г, но уже два таких же грузика (100 г) он поднять не может. Заменим реальный электромоторчик воображаемым бензиновым такой же грузоподъемности. Необходимо поднять груз массой 100 г. Как это сделать?

В ходе обсуждения появляются следующие основные способы решения[2]:

1) подсоединить два таких же моторчика (рис. б);

2) разрезать и поочередно поднять одним моторчиком (рис. в);

3) воспользоваться подвижным блоком (рис. г);

4) воспользоваться рычагом (рис. д).

На этой задаче проверяется освоенность ранее изученного содержания (выигрыш в силе с помощью простых механизмов), делается вывод о готовности учащихся к новой задаче. Одновременно создается предпосылка для постановки проблемы: вводится «моторчик» – устройство, которое расходует топливо и, следовательно, натурально и явно потребляет энергию. Фактически вводится независимая (косвенная) мера работы – объем топлива.

Проблематизация.

Поднимая груз массой 50 г на крышу сарая, моторчик сжег 1 мл бензина. Сколько потребуется бензина, чтобы поднять на крышу 100 г.?

Установки, изображенные на рис. б и в не дают выигрыша в силе (назовем их условно «экстенсивными»): в одном случае используется два моторчика и расход топлива оказывается удвоенным, в другом – один моторчик дважды поднимает половинный груз и тратит также 2 мл топлива. Практически ни у кого из учеников не возникает сомнения в том, что установки на рис. г и д (назовем их «интенсивными») выполняют ту же работу, расходуя 1 мл бензина.

Теперь необходимо обострить противоречие, сделав явным ошибочность полученного решения. Усложним задачу, увеличив массу поднимаемого груза в 2 раза. Для поднятия 200 г можно: 1) воспользоваться четырьмя моторчиками, 2) поочередно поднимать одним моторчиков по 50 г, 3) воспользоваться системой подвижных блоков (полиспастом), 4) изменить плечи рычага. В первых двух случаях мы затратим 4 мл бензина, а в последних двух – по-прежнему 1 мл. Будем увеличивать массу поднимаемого груза, устремляя ее к достаточно большим значениям. Ясно, что две «экстенсивные» установки будут все время расходовать пропорционально большее количество топлива, а две «интенсивные» установки будут расходовать все тот же 1 мл бензина.

В пределе это приводит к тому, что человечество нуждается в источниках энергии только до тех пор, пока оно не изготовит необходимое количество блоков и рычагов. После этого любым сколь угодно малым количеством топлива можно будет совершать любую сколь угодно большую работу (конечно, здесь есть ограничение, связанное с массой блоков и рычага, но абсурдность такого вывода от этого не исчезает). Таким образом, мы пришли к явному противоречию с реальностью.

Решение проблемы (схематизация, моделирование).

Само наличие проблемы говорит о том, что у учащихся нет готовых средств ее снятия, эти средства еще предстоит построить. Методически важно, чтобы учитель выдержал паузу, жестко зафиксировал проблему, не начинал немедленно «продавливать» решение. Традиционно для развивающего обучения в этом месте включать групповую работу (по типу мозгового штурма). Однако вероятность нахождения выхода из проблемной ситуации самими учащимися мала, поскольку на начальных этапах изучения физики у учащихся нет необходимого арсенала средств и способов действия. Рассматриваемые задачи и включены в пропедевтический курс физики как раз для наработки соответствующих базовых модельных конструкций (сила, работа, энергия).

Наши наблюдения показывают, что те немногие дети, которые делают правильные (иногда довольно робкие и осторожные) предположения, например, что моторчик будет работать дольше и поэтому потратит больше бензина, пытаются детально представить процесс подъема тела с помощью простого механизма. Обычно это касается детей, которые самостоятельно провели достаточно опытов и «почувствовали» замедление в подъеме тела с помощью подвижного блока или рычага.

Мы не рекомендуем учителям немедленно воспользоваться наличием одного или двух таких учеников в классе и слишком быстро переходить от постановки, фиксации, уточнения проблемы к ее решению. Такое решение не принесет нужного эффекта, не будет сопряжено с необходимым эмоциональным напряжением, не создаст ощущения совместного открытия (перечень «не» можно продолжать довольно долго). Нередко учителя жалуются, что в классе находится ученик, который занимается дополнительно дома (с родителями, бабушками, дедушками, репетиторами), забегает при этом далеко вперед и предлагает решение проблемы иногда даже до ее постановки. Как правило, эти учащиеся получили знания традиционным путем и, в силу этого, они формальны, не имеют четкого обоснования. Учитель должен уметь относиться ко всем уместным высказываниям одинаково, фиксировать на доске и не переходить к обсуждению и оценке до появления в классе оформленного «разномыслия».

Переходя к разрешению возникшей проблемы, необходимо отметить, что с одной стороны, простые механизмы увеличивают силу моторчика, но с другой – они порождают феномен «вечного двигателя» (дают выигрыш в энергии). Вероятно, наша ошибка связана с тем, что мы, создали лишь условия для поднятия груза, превышающий силовые возможности моторчика, но сам процесс совершения этой работы не рассмотрели.

Обращение к схематизации соответствующих экспериментов позволяет обнаружить искомую ошибку (рис. е, ж): выигрыш в силе сопровождается проигрышем в расстоянии. Это значит, что моторчик, поднимающий с помощью простого механизма груз в 100 г, будет работать вдвое дольше, чем тот, который на ту же высоту поднимает 50 г и израсходует 2 мл топлива. Выигрыш в силе не сопровождается выигрышем в энергии.

Обнаруженную нами закономерность можно записать двояким образом: .

Конкретизация способа (применение модели).

Прежде чем переходить к решению конкретных задач, целесообразно проанализировать полученные знаковые модели и описать возможные действия с ними. Наши исследования показывают, что на этом этапе обучения целесообразно использовать т. н. «обратные» задачи. Ученикам предлагается: придумать задачи, решаемые с помощью заданных действий, найти ошибку в решении, трансформировать условия задачи и т. п. Это закладывает основы последующих контрольно-оценочных действий, создает типологию задач, на которой впоследствии ученики могут разворачивать тренировки в соответствии со своими учебными затруднениями.

На этом этапе ученики должны поработать с разнообразными простыми механизмами (в реальном и компьютерном эксперименте, в текстовых задачах), по отношению к которым они определяют выигрыш в силе, проигрыш в расстоянии, а также проверяют сохранение величины F×S, получившей название «механическая работа».

Завершающая диагностика.

Когда речь идет об организации экспериментального обучения не в лабораторных условиях, нельзя ограничиваться только диагностикой на выходе. Фактически каждый поворот сюжета в погружении требует от учителя оценки ситуации и принятия решения о возможности двигаться дальше. Диагностические процедуры могут встраиваться специально как в уроки физики, так и в уроки других естественнонаучных предметов. Так, после третьего этапа учащимся может быть предложена проблемная ситуация, связанная с неограниченным ростом коэффициента полезного действия (КПД) в условиях применения подвижных блоков.

В качестве завершающей диагностики мы рекомендуем использовать такие задания, которые выводят на границу применимости изученного способам и предполагают возможность развития, уточнения, конкретизации способа. Полезно на этом этапе строить многослойные диагностические задания, в которых сначала предлагается текст для изучения, потом выясняется уровень понимания этого текста и, наконец, создается предпосылка для столкновения этого текста с изученным в погружении способом. Часто такая диагностика является одновременно стартом для следующего погружения.

В рассматриваемом фрагменте учащимся предлагается для изучения текст про опыты Джоуля по определению механического эквивалента теплоты и затем предлагается серия задач, в том числе, демонстрирующая довольно низкий КПД бензинового двигателя. Это противоречит неявному допущению, что энергия, затраченная моторчиком, равна совершенной работе. Реальные данные показывают, что энергии тратится в несколько раз больше. Предметом диагностики становится: а) сам факт обнаружения этого противоречия, б) гипотезы о причинах низкого КПД, в) схемы опытов, позволяющих проверить выдвинутые гипотезы.

6. Методика проведения фронтальной работы с учебными текстами

Рассмотрим несколько примеров использования учебных текстов для диагностики.

Письменный блиц-опрос (анкетирование), в котором ученику предлагается оценить (отметить свое согласие/несогласие) ответ другого ученика, высказанное предположение, предложенное решение. Как правило, блиц-опрос занимается несколько минут и решает несколько педагогических задач. Во-первых, учитель получает оперативную и компактную информацию об актуальном состоянии понимания/действия. Во-вторых, учитель обнаруживает учащихся, которые плохо включены в дискуссию и получает инструмент их «возвращения». В-третьих, появляется возможность перевести устную дискуссию, в которой даже при очень хорошей ее организации участвуют далеко не все учащиеся, в письменную форму и предоставить возможность высказаться всем ученикам. В-четвертых, учитель получает возможность отсроченной реакции, получает достаточный временной лаг для принятия правильного педагогического решения. Наконец, при необходимости все мнения учащихся могут быть представлены в письменном тексте, в схеме или таблице и возвращены учащимся для последующего обсуждения.

Работа с гипотезой

Обнаружив, что погружение в воду уравновешенных на равноплечем рычаге тел приводит к нарушению равновесия, ученики высказали несколько предположений. Отметьте свое согласие/несогласие по каждому предположению и напишите, каким реальным или мысленным экспериментом можно их подтвердить/опровергнуть.

№	Предположение	Проверка
1	Вода выталкивает алюминий
2	Стальной кубик впитывает воду и становится тяжелее
3	Алюминий рыхлый и он растворяется в воде

Проведение экспериментального исследования

Исправьте рисунки в случаях, когда нет равновесия. Покажите вес двух одинаковых по массе кубиков из стали и алюминия.

Проведите опыты по схеме, покажите их результаты и запишите выводы.

Работа с текстом учебника

Прочитайте параграф учебника и заполните таблицу. Где возможно, переведите текст на язык условных обозначений и формул.

Количество теплоты[3].

№	Текст (что?)	Назначение (про что?)	Вопросы, замечания
01	Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты.
02	Для того чтобы вычислить количество теплоты, необходимо узнать, от каких величин оно зависит.
03	Будем нагревать от двух одинаковых горелок два сосуда. В одном сосуде находится 1 кг воды, а в другом – 2 кг. Начальная температура воды в обоих сосудах одинакова.
04	Мы заметим, что за одно и то же время во втором сосуде вода нагреется на меньшее количество градусов, хотя оба сосуда получают одинаковое количество теплоты.
05	Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от его массы.
06	Чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить, чтобы изменить его температуру на одно и то же число градусов.
07	При остывании тело передает окружающим предметам тем большее количество теплоты, чем больше его масса.
08	Если необходимо нагреть полный чайник (с водой) до температуры 50 °C, потребуется меньше времени, чем для нагревания чайника с водой той же массы до 100 °C.
09	В первом случае воде будет передано меньшее количество теплоты, чем во втором.
10	Количество теплоты, которое необходимо для нагревания, зависит от того, на сколько градусов нагревается тело.
11	Количество теплоты зависит от разности температур тела.
12	Можно ли рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания не воды, а другого вещества, например свинца, железа, масла и т. д.?
13	Нальем в один сосуд воду, а в другой такой же сосуд – растительное масло. Массы воды и масла возьмем равные. Оба сосуда будем нагревать на одинаковых горелках. Опыт начнем при одинаковой начальной температуре воды и растительного масла.
14	Измерив через некоторое время (например, 5 мин) температуру нагревшихся воды и масла, мы увидим, что масло имеет более высокую температуру, хотя обе жидкости получили от горелок равные количества теплоты.
15	Для нагревания равных масс воды и масла на одинаковую температуру требуется различное количество теплоты. Для масла меньше, для воды больше.
16	Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела, зависит от того, из какого вещества оно состоит, т. е. от рода вещества.
17	Количество теплоты, которое необходимо для нагревания тела (или выделяемое при остывании), зависит от массы этого тела, от изменения его температуры и рода вещества.

Используя номера фрагментов, предложите схему данного текста, проясняющую его логическую структуру. Отметьте те места схемы, к которым у вас возникают вопросы и снабдите вопросы комментариями.