Експеримент у фізиці. Формування умінь школярів аналізувати результати експерименту і робити висновки

Одним з видів навчального  експерименту є фізичні практикуми, до яких включаються складніші лабораторні роботи, які можуть бути проведені в кінці великих розділів. Особливістю фізичних практикумів є те, що при проведенні їх учні одночасно виконують різні роботи. Фізичні практикуми, як і фронтальні лабораторні роботи, учні виконують індивідуально або групами (2—3 учні) залежно від конкретних умов школи, укомплектованості її фізичного кабінету.

Виконуючи фронтальні лабораторні  роботи, учні досліджують чи розглядають  одне або невелику кількість споріднених  питань. Якщо проводяться фізичні  практикуми, то в них треба включати ширше коло питань, які стосуються всього розділу або навіть різних розділів.

Кількість вказаних у  програмах лабораторних робіт, як і  демонстраційних дослідів, є обов’язковою. Але вчителеві дається право  залежно від умов школи, рівня підготовки учнів певного класу, методики вивчення матеріалу, якої дотримується вчитель, замінювати лабораторні роботи рівноцінними їм або більш ефективними. Обов’язковими є також організаційні форми проведення лабораторних робіт: передбачені програмами фронтальні роботи повинні виконуватись фронтально. Бажано, звичайно, розширити кількість фронтальних лабораторних робіт, якщо для цього є відповідне обладнання і роботи органічно вплітаються в процес вивчення того чи іншого матеріалу. Особливо це слід робити при вивченні тих розділів, в яких кількість фронтальних робіт, передбачених програмами, незначна.

Важливою вимогою програм  є обов’язкове використання часу, що відводиться на фізичні практикуми, за прямим призначенням. У програмах  подано перелік робіт фізичного практикуму і вказується час, відведений на виконання їх. Наприклад, у 9-му класі на виконання робіт практикуму відведено 16 годин і є перелік 19 робіт. Учитель може вибрати для проведення 8 робіт, розрахованих на 2 години кожна, а може поставити 16 одногодинних робіт. Зрозуміло, що список таких робіт учитель може дещо розширити, якщо для цього є відповідне обладнання й оригінальні дидактичні ідеї.

У більшості шкіл фізичні  практикуми проводять наприкінці навчального  року, але при відповідному обладнанні фізичних кабінетів такі практикуми логічно проводити після вивчення великих розділів програми. У 9 класі, наприклад, один практикум доцільно виконати наприкінці вивчення питань молекулярної фізики, а другий—наприкінці вивчення електродинаміки. У 10 класі один практикум можна провести після вивчення теорії коливань, а другий — після вивчення оптики, атомної і ядерної фізики, Це дасть можливість тісніше пов’язати фізичні практикуми з вивченням певного кола питань, їх узагальненням і закріпленням.

Основна мета лабораторних робіт: ознайомити учнів з експериментальним методом дослідження фізичних явищ; формувати розуміння принципів вимірювання фізичних величин, оволодіти способами і технікою вимірювань, а також методами аналізу похибок.

РОЛЬ ЕКСПЕРИМЕНТУ В ПРОЦЕСІ ВИВЧЕННЯ ФІЗИКИ В ШКОЛІ

Навчальний фізичний експеримент — одна з найважливіших  ділянок у системі оволодіння матеріалом фізики. Аналіз дидактичних  можливостей навчального експерименту показує, що він може бути використаний на різних етапах вивчення матеріалу та з різною дидактичною метою.

Розглянемо основні  етапи оволодіння учнями навчальним матеріалом і, виходячи з цього проаналізуємо  можливості навчального фізичного  експерименту. Найефективнішим є  так званий евристичний метод  вивчення матеріалу, коли значну частину необхідних висновків учні роблять самостійно, використовуючи дані навчального експерименту (демонстраційного, фронтального, експериментальних. задач тощо). Основні етапи діяльності вчителя і учнів на уроці-можна показати схематично.

На схемі ми показуємо не тільки послідовні етапи вивчення матеріалу, а й зазначаємо основних виконавців тієї або іншої навчальної роботи. Це допомагає чіткіше уявити роль учителя в кожний момент уроку, відповідно готуватись до цього. Зрозуміло, що найбільших успіхів досягають ті вчителі, які вміють організувати процес навчання, ефективно керувати пізнавальною діяльністю учнів.

ЗМІСТ І ЗАВДАННЯ ПРАКТИКУМУ з методики і техніки шкільного ФІЗИЧНОГО ЕКСПЕРИМЕНТУ

Практикум з методики і техніки шкільного фізичного  експерименту має на меті ознайомити студентів з основним обладнанням фізичного кабінету середньої школи та методикою і технікою постановки різних видів навчального експерименту: демонстраційних дослідів, фронтальних лабораторних робіт, фізичних практикумів і експериментальних задач. Структура і зміст завдань практикуму підпорядковані педагогічній концепції, згідно з якою найбільший педагогічний ефект від практикуму можна дістати тоді, коли студенти оволодіватимуть необхідними вміннями і навичками застосовувати різні види навчального експерименту в їх єдності. У зв’язку з цим робота практикуму (за винятком робіт з вивчення основного обладнання фізичного кабінету) включають у себе завдання з різних видів навчального експерименту під час вивчення того чи іншого питання шкільного курсу фізики.

Передбачений програмою  час для практикуму з методики і техніки шкільного фізичного  експерименту дає змогу включити до робіт практикуму тільки найбільш складні демонстраційні досліди, а  також окремі лабораторні роботи, роботи фізичних практикумів і експериментальні задачі, які найбільшою мірою дають змогу зрозуміти студентам специфіку цих видів навчального експерименту.

У процесі виконання  робіт практикуму кожен студент  повинен оволодіти такими знаннями, уміннями і навичками:

1. Знати призначення і правила експлуатації основного обладнання з фізики для середньої школи.

2. Уміти складати установки  за схемами і описами, вміщеними  в цьому посібнику та в інших  виданнях, на які в описах робіт  практикуму зроблено посилання.

3. Оволодіти методикою і технікою виконання різних видів шкільного фізичного експерименту з дотриманням основних дидактичних вимог до них.

4. Уміти супроводжувати досліди  чіткими, вичерпними і короткими  поясненнями на рівні, доступному  для учнів відповідного класу.

5. Оволодіти навичками в дотриманні правил техніки безпеки під час проведення всіх видів навчального експерименту.

 

2.Практична частина

 засоби НІТ у навчальному фізичному експерименті

Стрімке збільшення потоку наукової інформації у період технічного прогресу людства потребує своєчасного адекватного відбиття в навчальному процесі. Використання засобів нових інформаційних технологій (НІТ) сприяє не лише покращенню емоційного сприйняття, а й підвищенню інформативності навчального матеріалу, його наочності та доступності. Фізика за своєю основою є експериментальною наукою. Шкільний фізичний експеримент тісно пов’язаний з теоретичним навчанням.

Навчальний експеримент передбачає: висунення теоретичної гіпотези, яка вимагає практичного підтвердження, розробку методу дослідження, постановку експерименту, спостереження за його ходом, зняття фізичних параметрів, їх систематизацію, аналіз та узагальнення і формулювання висновків щодо проведеної роботи. Зважаючи на універсальність, комп’ютерну техніку можна використати на всіх етапах проведення експерименту. Це відкриває нові, перспективні підходи щодо отримання експериментальних даних.

Ефективність застосування ЕОМ в експериментально-дослідній роботі зумовлюється такими чинниками: висока точність результатів та їх достовірність, оскільки програмні засоби уможливлюють застосування методів, що знижують нагромадження похибок під час округлення та обчислення проміжних величин; скорочення кількості складних, дорогих і унікальних приладів; підвищення якості та інформативності дослідження за рахунок ретельнішої обробки даних; збільшення кількості об’єктів, що контролюються; підвищення емоційного впливу; скорочення циклів дослідження на основі прискорення підготовки і проведення експерименту, оперативного використання результатів аналізу, зменшення часу обробки та систематизації даних.

Комп’ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним  фізичним явищем, формує навички і  надає їм впевненості під час  використання сучасних експериментальних  методів, ознайомлює з передовими засобами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому розглядати методику постановки шкільного експерименту.

Сучасні персональні комп’ютери (ПК) уможливлюють використання ЕОМ у  дослідній роботі з підключенням відповідних допоміжних пристроїв у ролі засобів контролю, реєструючих приладів, приладів візуального відбиття та ін. На екрані графічного дисплея можна формувати систему шкал вольт-, ампер-і ватметрів та багатьох інших вимірювальних приладів, що реєструють певні параметри досліджуваних об’єктів. В експериментально-дослідній роботі проміжною ланкою між ЕОМ і об’єктом дослідження є датчики та перетворюючі пристрої. Як правило, датчики сприймають інформацію в аналоговому вигляді (температура, тиск, освітленість, вологість, напруга та ін.), яку перш ніж «подати» до комп’ютера, необхідно перетворити в цифрову форму. Під час роботи з групою датчиків програми забезпечують періодичне опитування стану кожного з них. Після обробки експериментальних даних ЕОМ направляє результати в необхідному для аналізу вигляді на пристрої виводу.

Для використання апаратних засобів  ЕОМ, опрацювання сигналів, що надходять, і виведення результатів у  зручній для сприйняття формі  створюють відповідні програмні  засоби обробки та дослідження сигналів. Такі програми можуть бути спеціалізовані — призначені для дослідження конкретного фізичного об’єкта, або універсальні — для забезпечення певного виду експериментів. Програмні засоби, призначені для забезпечення сприйняття інформації про зміну параметрів фізичних величин та їх характеристик від датчиків та перетворюючих пристроїв для її наступної обробки в цифровому вигляді, збереження та реєстрації на засобах виводу, відносять до експериментально-дослідних.

Питання комп’ютеризації експериментально-дослідної роботи неодноразово порушувалися в наукових та навчально-методичних виданнях, але специфіка підходу щодо застосування та їх інформативність недостатні для використання в шкільній практиці. Виконання таких робіт у навчальному процесі забезпечує розроблений пакет педагогічних програмних засобів (ППЗ) «F(t)». Він призначений для демонстрації і дослідження зміни фізичних величин з часом та експлуатації ПК типу ІВМ РС як осцилограф. ППЗ «F(t)» забезпечує візуалізацію часових змін характеристик фізичних величин, що досліджуються за допомогою датчиків резистивного типу (фото-, термо-, магніто- і газорезистори та ін.) та перетворювачів, підключених до аналогово-цифрового порту вводу ЕОМ ІВМ РС і сумісних з ними. Інструментальна похибка у вимірюваннях та розрахунках на основі рекомендованого пакету програм не перевищує 5 %. Дослідження проводять у системі з реальним масштабом часу.

ППЗ «F(t)» дає змогу оцінити відхилення електричних характеристик датчика фізичної величини і побудувати графічну залежність зміни її параметрів з часом на екрані дисплея (типу EGA або VGA). Пакет «F(t)» передбачає повний і посторінковий перегляд досліджуваного процесу апроксимованої графічної залежності й проведення його функціонального дослідження на основі диференціювання та інтегрування функції з обчисленням площі криволінійної трапеції та знаходженням абсолютних екстремумів функції. У пакеті реалізована можливість функціонування для визначення  значень функції у будь-який момент часу дослідження.

Для покращення психологічного сприйняття, інформативності та слухового контролю передбачено звуковий супровід експериментального процесу. Враховуючи невеликі розміри дисплея, що впливає на погіршення демонстраційних характеристик ПК, а також проблеми підключення ЕОМ з EGA та VGA дисплеями до побутових телевізорів, у пакеті передбачена можливість виведення відеоінформації з підвищеним контрастом. Програма забезпечує вивід результатів дослідження на друкуючий пристрій для отримання твердої копії утвореної графічної залежності та даних її аналізу.

Основним робочим файлом пакета, який забезпечує отримання  даних та керування експериментальним  процесом є f(t).ехе. Інформація про досліджуваний процес за умовчанням заноситься у файли даних f(t).dat та атрибутів f(t).аtг для подальшої обробки та збереження в бібліотеці експериментальних даних. За необхідності користувач має змогу створити або викликати з бібліотеки даних (каталог ОАТА) для дослідження свій файл з будь-яким іншим іменем, що відповідає вимогам та синтаксису операційної системи MS DOS. До пакета також входять допоміжні файли з довідковою і технічною інформацією для користувачів f(t).doc і f(t).shm, в яких описано призначення та можливості ППЗ «F(t)», його особливості, функціональні клавіші, схеми узгодження та ін.

Датчики під’єднують через стандартний аналогово-цифровий порт вводу/виводу ЕОМ ІВМ РС за допомогою узгоджувального пристрою (мал. 1.). Для отримання інформації щодо стану датчиків звертаються до порту за адресою 0201h.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наочність та інформативність споглядання ходу демонстраційного експерименту забезпечується безпосереднім спостереженням використаного обладнання і засобів, а також результатів обробки експериментальних даних у графічному та цифро знаковому вигляді на дисплеї ЕОМ і копії, отриманої на друкуючому пристрої. Передбачено збереження експериментальних результатів та функціональної залежності, добутих під час досліджень, у бібліотеці даних для наступного використання для актуалізації опорних знань, на уроках узагальнення набутих знань, умінь та навичок, а також під час повторення навчального матеріалу.