Экспериментальные задачи по физике (стр. 2 )

1.6. Уметь делать правильные выводы, обосновывать их

На завершающем этапе выполнения лабораторной работы, как показывают наши наблюдения, многие учащиеся задают один и тот же вопрос: «Что писать в выводе?» Похоже, что они забывают главную цель работы, ту, что сформулирована в её названии или в содержании выполняемого задания. Здесь сказывается отсутствие в нашей школе специальных учебных занятий по логике и риторике. Очевидно, что в этом случае они потеряли нить рассуждений, рассматривают формулирование вывода не как обобщение или суммирование предыдущих действий, а как одну из прежних изолированных, самостоятельных операций. Умение удержать в памяти все результаты измерений, построить вывод на их основе с применением формальной логики и на основе здравого смысла - это очень трудная для школьника работа. Она развивает интеллект и требует специальных занятий. В частности, самая напряжённая и продуктивная часть лабораторного занятия – устная индивидуальная защита результатов. От ученика на этом этапе требуют изложить в лаконичной форме ответы на четыре основных вопроса: что делал? как делал? что получил? насколько достоверны полученные результаты и выводы?

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ ЭКСПЕРИМЕННТАЛЬНОГО ТИПА

Одних лабораторных занятий для формирования навыков экспериментирования явно недостаточно. Необходимо практиковать домашние задания, предполагающие проведение наблюдений или экспериментальных измерений и исследований. Тем более, что в настоящее время в каждой семье имеется большой арсенал приборов и материалов, вполне пригодных для выполнения физических опытов. Например, нет проблем с прямыми измерениями длины, времени, температуры, массы; с наблюдением тепловых, электрических, оптических, магнитных явлений и т. п.

Экспериментальные задачи – это маленькие исследования. Здесь ученик сам должен выдвинуть идею эксперимента и теоретически ее обосновать. Затем он должен спланировать эксперимент, с максимально возможной тщательностью провести необходимые измерения и обработать их. Кроме того, необходимо оценить погрешности измерений, представить результат измерений и сделать вывод. Именно такие задачи даются участникам экспериментального тура физических олимпиад. В школьном сборнике задач по физике[4], пожалуй, содержится только одна такая задача, которую так любят давать ученикам при проведении школьных олимпиад: «Определите коэффициент трения прямоугольного бруска о поверхность стола. Оборудование: деревянный брусок по форме подобный спичечному коробку, карандаш, линейка».

При выполнении экспериментальных задач набор измерительных инструментов обычно ограничен: линейка, рулетка, мерный цилиндр, ручной секундомер и т. п. При этом, если, например, ставится задача измерить толщину проволоки с помощью линейки, значит нельзя воспользоваться при этом более точным прибором – штангенциркулем или микрометром[5].

Учителю, особенно начинающему, трудно подобрать экспериментальную задачу – в задачниках их мало или вовсе нет, в собственном багаже также нет. Советуем воспользоваться следующими источниками:

·  сборники материалов по итогам физических олимпиад всех лет и всех уровней – международных, всероссийских, Белорусских, Украинских, региональных, Московских и т. д.

·  материалы научных конференций школьников (перечень тем докладов можно найти в интернете);

·  материалы заочных физматшкол (учебные задания и олимпиады) престижных вузов;

·  задания для всероссийских и местных Турниров юных физиков (имеются в МАН при городском ДДТ г. Ставрополя).

Подбирая экспериментальные задачи, учитель должен учитывать очень много сопутствующих обстоятельств и планирует долговременные последствия своих действий.

Он должен учитывает уровень исходной предметной подготовки учеников.

Предвидеть неоднозначность в методе или в результатах - всё зависит от имеющегося в наличии и доступного к применению набора приборов и используемых материалов.

Предполагать исследование на уровне оценки исследуемого параметра, приблизительного значения измеряемой величины. Это значит, что здесь вряд ли можно ожидать точного результата. Например, нельзя ожидать более и менее точного измерения внутреннего диаметра иглы медицинского шприца, если для этого даны лишь стакан с водой и рулетка.

Можно требовать, чтобы ученик знал некоторые табличные данные: плотность и удельную теплоемкость воды, скорость звука в воздухе, и т. п. В остальных случаях ученик вправе потребовать набор таблиц физических величин.

Конечно, при постановке экспериментальных задач на базе вузовских физических лабораторий могут быть выставлены достаточно сложные физические приборы, что не всегда возможно даже в условиях хорошо оснащенной школы. Поэтому желательно подбирать задачи так, чтобы их можно было бы выполнить буквально в домашних условиях.

Меняя допустимый набор применяемых приборов и материалов, можно сделать экспериментальную задачу многовариантной и долговременной. Ценность такого метода в том, что школьник развивает альтернативное мышление, готовится исподволь к изобретательской творческой деятельности.

Время на выполнение домашней экспериментальной работы устанавливается с учётом объёма предстоящей работы и может составлять как дни, так и месяцы. Роль учителя здесь состоит в заинтересованном контроле, в оказании помощи в материальном оснащении или в виде консультаций.

По окончании работы ученику представляется возможность выступить с докладом перед классом, защитить её результаты. Если работа выполнена качественно, её можно представить на научную конференцию в регионе или в престижных вузах страны.

Ученики должны знать критерии и нормы, по которым оценивается качество выполнения экспериментального задания. Им можно показать в качестве основы следующую таблицу.

Показатель	Баллы
Формулировка идеи, или вариантов идеи эксперимента и их теоретическое обоснование, логическая стройность описания	3
Количество и тщательность проведенных измерений	2
Вычисления с учётом правил округлений	1
Оценка абсолютных и относительных погрешностей измерений	1
Форма представления результатов (таблицы, графики, схемы)	1
Формулировка выводов, их обоснование	2
Итого:	10

В зависимости от содержания, сложности и трудности отдельных элементов задания нормы могут меняться, но основные позиции сохраняются.

3. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Физика – точная наука. Все, что она утверждает, вначале высказывается в виде гипотез и становится её теориями, законами и принципами лишь после того, как завершится основательная проверка. Самый простой способ проверки состоит в многократных наблюдениях одного и того же явления в его естественных условиях протекания. Но часто выполнить это условие невозможно, поскольку явление протекает редко, нерегулярно. И даже если наблюдателю повезло и это явление протекает часто, сопутствующие условия могут изменяться настолько, что сделают невозможным формулировать бесспорные выводы.

Поэтому более эффективным средством проверки гипотез является эксперимент, отличающийся тем, что явление моделируется с помощью специальных средств. Однако при этом часть явлений или параметров, сопутствующих исследуемому явлению в реальных условиях наблюдения, в эксперименте не воспроизводится, более того, умышленно отсекается. Экспериментатор создаёт абстрактную схему, модель явления, и в этом слабое, уязвимое место эксперимента. Степень абстрагирования влияет на содержание выводов, вводятся граничные условия проявления законов и выводов. Например, закон Кулона справедлив для точечных зарядов, формула – для математического маятника, 1-й закон Ньютона – для инерциальных систем отсчёта. И т. д.

Точность и надёжность выводов, которые могут быть получены из экспериментов, зависит от методов проведения этих экспериментов. Первейшая и важнейшая проблема экспериментатора - планирование эксперимента с целью получения неискажённых результатов (параметров). В конечном итоге он должен отыскать вид зависимости между двумя – и только двумя! – величинами. Влияние всех остальных факторов с помощью специальных условий в эксперименте следует свести к несущественным. Хорошим примером таких исследований являются изопроцессы идеальных газов, когда из тройки параметров - p,V,T- один искусственно оставляют неизменным. Аналогично строится проверка законов колебания нитяного маятника, когда из длины нити, массы груза, амплитуды колебаний измеряют зависимость периода только от одного параметра, оставляя два остальных неизменными.

4. ИЗМЕРЕНИЯ, ПОГРЕШНОСТИ, ВЫЧИСЛЕНИЯ

Задача экспериментатора в каждом случае разбивается на две части. В первой из них решается техническая проблема - разработка теории и методики исследований и их материальное, техническое обеспечение. Вторая непременная часть – оценка точности и надёжности результатов наблюдений и измерений. Только после завершения этой части можно формулировать вывод с обязательным указанием границ его достоверности. Например, увеличивая массу груза в нитяном маятнике, ученик получил следующую тройку периодов: 1,775, 1,750 и 1,740 секунд. Анализируя результаты, он заявляет, что «с увеличением массы маятника наблюдается закономерное уменьшение периода колебаний». Однако, оценив (по настоянию учителя) погрешности измерений (они составили 3%), он отказался от своего «открытия», и в выводе указал, что в пределах погрешности зависимость периода колебаний нитяного маятника от массы не обнаружена. При этом он получил наглядный урок, когда три разных числа (1,775, 1,750 и 1,740) следует считать равными, а закономерное изменение результатов эксперимента – простой случайностью.