Формирование экспериментальных умений при изучении физики в средней школе

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1: Физический эксперимент как метод научного познания.

1.1: Учебный физический эксперимент как метод учебного познания.

1.2: Методика формирования экспериментальных умений. 1.3: Основные этапы формирования экспериментальных умений. ГЛАВА 2: Методические основы физического эксперимента.

2.1: Содержание основных понятий теории учебного эксперимента. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ЛИТЕРАТУРА. ПРИЛОЖЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ

В науке понятие эксперимент является весьма широким по объему, охватывающим многие области человеческой деятельности. Эксперимент (от латинского - проба, опыт) - метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления действительности. Эксперимент предполагает активное вмешательство экспериментатора в ход процессов и явлений действительности и их преобразование. Это является существенным отличием эксперимента от других методов эмпирического исследования, например, наблюдения.

Физический эксперимент является неотъемлемой частью курса физики. Ясное и глубокое усвоение основных законов физики и ее методов невозможно без работы в физической лаборатории, без самостоятельных практических занятий. В физической лаборатории учащиеся не только проверяют эксперименты известных законов физики, но и обучаются работе с физическими приборами, учатся грамотной обработке результатов измерений и критическому отношению к ним.

Цель курсовой работы: раскрыть сущность основных методических аспектов

формирования экспериментальных умений при изучении физики в средней

школе.

Основными задачами моей курсовой работы являются:

Изучить педагогическую и методическую литературу по проблеме формирования экспериментальных умений в процессе обучения физике.

Разработать проект урока по формирования экспериментальных умений.ГЛАВА 1: ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК МЕТОД НАУЧНОГО

ПОЗНАНИЯ.

В науке понятие эксперимент является весьма широким по объему, охватывающим многие области человеческой деятельности. Эксперимент (от латинского - проба, опыт) - метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления действительности. Эксперимент предполагает активное вмешательство экспериментатора в ход процессов и явлений действительности и их преобразование. Это является существенным отличием эксперимента от других методов эмпирического исследования, например, наблюдения.

С помощью эксперимента наука в состоянии не только объяснить явления материального мира, но и непосредственно овладевать ими. Поэтому эксперимент является одним из главных средств связи науки с производством. Эксперимент является одним из источников развития теории и выступает с теорией в диалектическом единстве.

Характеризуя роль эксперимента, выдающийся физик Альберт Эйнштейн писал: "Все познание реального мира исходит из опыта и завершается им". В физике обычно выделяют два типа эксперимента: исследовательский и критериальный. Исследовательский эксперимент исходит от научной проблемы и определяются поставленной поисковой задачей. Он не предполагает получение определенного ожидаемого результата. Критериальный эксперимент предполагает обязательным наличие гипотезы (логическое основание эксперимента, предположение), которая нацеливает экспериментатора на ожидаемый результат.

К объектам физического исследования относятся, как правило, объекты неживой природы (предметы, процессы, явления). В этих объектах отсутствуют процессы обмена, свойственные живым организмам. Это позволяет в процессе эксперимента максимально изолировать объекты исследования от фактов, не имеющих экспериментального значения, и изучать их в относительно "чистом" виде.

Цель научного физического эксперимента как метода познания является одним из важнейших его элементов. Она относится к субъективной стороне эксперимента, то есть связана с познающим субъектом (экспериментатором). Цель выступает в качестве субъективного образа будущего результата эксперимента, то есть носит идеальный характер. Цель всякого эксперимента и её достижение и её достижение определяется состоянием науки в данной области. Научному физическому эксперименту присущи следующие наиболее характерные для него познавательные цели: установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления, выявить количественную определенность

какого - либо свойства объекта, подтвердить принципы теории, воспроизвести черты исследуемой природной ситуации или технических устройств. Экспериментальные цели и их правильный выбор неотделимы от средств эксперимента. Экспериментальные средства относятся к объективной стороны эксперимента.

Способы деятельности экспериментатора (экспериментальная процедура) включают следующую систему операций:

В соответствии с гипотетической моделью познавательного изменения предмета познания ставится задача на конструирование эксперимента.

Гипотетические изменения предмета познания соотносятся с имеющимися знаниями о природных или других объектах и выбираются средства познания, способные вызвать планируемые познавательные измерения предмета познания.

Разрабатывается конструкция средства познания с таким расчетом, чтобы на долю ученого оставались лишь операции "пуск" и "остановка".

Производятся средства познания.

Формулируются гипотеза эксперимента. Гипотетическая модель изменения предмета познания соотносится с имеющимися знанием об объекте познания и выбирается тело или система тел, которые имеют в своем составе предмет познания.

В выбранном теле (системе тел, процессе) выбирается объект и предмет познания. Производится совокупность заданных изменений объекта познания.

С помощью преобразующих средств познания конструктивно выделяются познавательные изменения предмета познания.

Если осуществляются заданные изменения предмета познания и для этого необходимы специальные средства, то они конструируются.

Конструктивно обеспечивается связь между заданным функционированием средств познания и изменением предмета познания.

Конструктивно обеспечивается связь между заданными изменениями объекта познания и изменениями предмета познания.

В тех случаях, когда можно задать различные контролируемые последовательности строения системы (средства познания - предмет познания), разрабатывается оптимальные их вариант.

Разрабатывается подсистема фиксации результатов эксперимента.

Разрабатывается подсистема счета и измерения.

Устанавливается необходимая, конструктивно оформленная связь между взаимодействующими подсистемами(средства познания - предмет познания; фиксация результатов; счет и измерения).

Отлаживается взаимодействие средств познания и изменений предмета познания.

Осуществляются элементарный акт процесса познания, состоящий из следующих элементов: пуск, взаимодействие (средства познания - предмет познания), контроль взаимодействия и выключение.

Фиксируются и обрабатываются результаты эксперимента, формулироваться выводы. [3].

1.1: УЧЕБНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК МЕТОД

УЧЕБНОГО ПОЗНАНИЯ

При выполнении лабораторных работ по физике и другим предметам широко используется эксперимент. Однако в данном случае он выполняется не как метод научного познания, а как метод учебного познания. Научное познание отличается от учебного познания. Первое отличие заключается в том, что учебное познание не предполагает самостоятельного выделения субъектом предмета познания из объекта. В научном познании выделение объекта и предмета исследования является необходимым условием и осуществляется ученым. При обучении объект и предмет познания задаются проектом обучения (программой, учебником). Второе отличие заключается в том, что при обучении для познания нового может быть использована только часть известного студенту, ученику, в научном познании - принципиально все известно в данной области. Это отличие основано на различном отношении процессов научного познания (как исследования) и учебного познания ко всему наличному знанию.

Объектом учебного физического эксперимента также, как и при проведении научного физического эксперимента, могут выступать тела, процессы, явления. В процессе проведения учебного физического эксперимента могут быть поставлены следующие познавательные экспериментальные цели:

Наблюдать за физическими явлениями и особенностями их протекания в определенных условиях

S Измерять физические величины

S Устанавливать количественные и функциональные зависимости между физическими величинами

S Изучать свойства вещества в различных состояниях

S Проверять теоретические предсказываемую зависимость.

К средствам учебного физического эксперимента также, как и научного физического эксперимента, относятся приспособления, механизмы, приборы.

Экспериментальные средства научного физического эксперимента являются основой и источником дальнейшего развития средств учебного эксперимента. Их ценность будет тем выше, чем больше выбранный метод изучения явления приближается к методам научного исследования, а учебная установка - к соответствующим научным установкам.

Средства учебного физического эксперимента значительно проще чем средства научного физического эксперимента. Они не всегда отвечают требованиям, предъявляемым к точности измерений. При конструировании этих средств учитываются педагогические и дидактические требования, специфика их применения. Особое внимание обращается на безопасность экспериментальных средств, так как с ними работают учащиеся.

В основе конструирования учебных приборов положены следующие пять принципов:

•S Соответствие программе и научная обоснованность

■S Видимость и наглядность

•S Удобство в управлении и обслуживании

■S Согласованность приборов

•S Экономическая целесообразность.

Способы деятельности учителя (ученика) при проведении физического эксперимента включая следующую систему операций:

Осознать (уяснить) объект эксперимента.

Осознать (уяснить) цель эксперимента.

Продумать, обосновать и сформулировать гипотезу, которая является логическим основанием эксперимента.

На основе анализа знаний о гипотетических изменениях предмета познания определить не обходимые средства познания, выделить объекты наблюдения, оценить ожидаемый результат измерений.

На основе оценочного расчета выбрать оптимальный вариант средств познания, отобрать приборы и материалы.

Если возникает необходимость, то создаются средства познания с учетом педагогических требований, предъявляемых к экспериментальным средствам, и конструируются специальные средства для подготовки объекта познания.

Собрать установку (схему), обеспечить взаимодействие и связь средств познания и предмета познания, отладить их взаимодействие.

Определить рациональную последовательность выполнения измерений.

Выбрать способ записи результатов измерений, начертить таблицу.

Осуществить пуск установки и контроль, за процессом эксперимента.

Произвести измерения и зафиксировать результаты наблюдений и измерений.

Обработать и проанализировать полученные данные. Сформулировать вывод. [3].

1.2: МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

УМЕНИЙ

Обучение методике эксперимента должно предшествовать раскрытие особенностей его содержания и структуры. Разумеется, полнота этого раскрытия на разных этапах обучения будет различной.

Формирование у учащихся обобщенного умения самостоятельно ставить опыты так же, как и умения наблюдать, может быть обеспечено при условия согласованной, целенаправленной деятельности учителей различных предметов. Необходимо формировать у учеников умения выполнять отдельные действия и операции, из которых слагается эксперимент, и раскрывать структуру эксперимента как метода научного познания, роль каждой операции в этой деятельности.

Исходя из анализа структуры научного эксперимента, учащимся может быть предложен план деятельности по выполнения учебного эксперимента в процессе обучения.

План деятельности по выполнению эксперимента

Уяснение цели эксперимента.

Формулировка и обоснование гипотезы, которую можно положить в основу эксперимента.

Выяснение условий, необходимых для достижения поставленной цели эксперимента.

Планирование эксперимента, включающего ответ на вопросы:

а) какие наблюдения провести;

б) какие величины измерить;

в) приборы и материалы, необходимые для проведения опыта;

г) ход опытов и последовательность их выполнения;

д) выбор формы записи результатов эксперимента;

Отбор необходимых приборов и материалов.

Сбор установки, электрической цепи.

Проведение опыта, сопровождаемое наблюдениями, измерениями и записью их результатов.

Математическая обработка результатов измерений.

9. Анализ результатов эксперимента, формулировка выводов (в словесной, знаковой или графической форме).

Чем подробнее анализируя эта структура деятельности отрабатывается каждая из операций на начальном этапе формирования обобщенных экспериментальных умений по выполнению опытов, тем быстрее умение становится обобщенным, многие операции выполняются в свернутом виде и учащиеся быстрее овладевают умением самостоятельно (без подробных инструкций учителя) выполнять опыты. При этом значительно повышается роль эксперимента в усвоении учащимися понятий и законов.

Знания структуры эксперимента и методики формирования обобщенных экспериментальных умений позволят учителям, преподающим естественнонаучные дисциплины, перейти от методики ознакомления учащихся со структурой отдельной лабораторной работы и составление плана для неё к методике, которая предусматривает раскрытие общности структуры всех экспериментальных работ.

Как показывает опыт, наибольшие затруднения вызывает формирование у учащихся умений правильно формулировать цель эксперимента, выдвигать и обосновывать гипотезу, которую можно положить в его основу. Поэтому при проведении первых лабораторных работ исследовательского характера учителю необходимо обратить особое внимание на отработку этих умений. В традиционной методике формирования экспериментальных умений не предполагается формирование у учащихся умения формулировать и обосновывать гипотезу. Однако без показа этого важнейшего структурного элемента невозможно полностью раскрыть методы научного познания, тек как естественные науки не могут обойтись без выдвижения гипотез, потому что "формой развития естествознания, поскольку оно мыслит, является гипотеза".

В процессе изучения естественнонаучных дисциплин, как правило, не проводится специальная работа по ознакомлению учащихся с содержанием понятия "гипотеза", которое встречается учащимся при изучении физики (например, гипотеза Ампера, гипотеза Максвелла, гипотеза Планка, гипотеза Пауля).

Поэтому необходимо раскрыть перед учащимся следующие вопросы:

Что называют гипотезой?

Каково значение гипотезы в науке?

В каких случаях употребляется термин «гипотеза»?

Какие требования предъявляются к формулировка гипотезы?

Известно, что развитие гипотезы, т. е. логический процесс выдвижения,

обоснование и доказательства в форме суждений и умозаключений, идет двумя путями:

Путем дедуктивного выведения её из известных теорий, идей, принципов, законов, и правил;

Путем индуктивного построения гипотезы на основе анализа фактов, явлений, известных из жизненного опыта, полученных в результате наблюдений или эксперимента.

Развитие гипотезы дедуктивным способом, в свою очередь, может идти двумя путями:

Путем переноса действия общих законов и принципов в конкретную ситуацию;

Путем аналогий, широко используемых в процессе изучения явлений и законов природы.

Постановка перед учащимися вопросов проблемного характера, например таких, как зависят пути, проходимые телом за последовательные разные промежутки времени при равномерном движении и равноускоренном, или как изменяется давление данной массы газа с изменением объема при постоянной температуре, побуждает учащихся формулировать и обосновывать гипотезы на основе изученных явлений, теорий и проверить их при помощи эксперимента.

Умение самостоятельно формулировать и обосновывать гипотезу оказывает положительное влияние на выполнение следующих структурных элементов эксперимента:

Определение условий проведения опыта, его проектирование;

Анализ результатов опыта и формулировка выводов.

Это объясняется логической зависимостью и взаимообусловленностью всех структурных элементов любого эксперимента.

Характер обоснования учащимися выдвигаемых гипотез может быть различным:

S качественным S количественным •S эмпирическим S теоретическим

При этом эмпирическое и теоретическое обоснование может быть осуществлено учащимися, как на качественном уровне, так и с использованием математических расчетов. [2].1.3: ОНОВНЫЕ ЭТАПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УМЕНИЙ.

Для обеспечения преемственности в формировании у учащихся самостоятельно выполнять опыты необходимо каждому учителю четко представлять основные этапы, через которые проходит процесс формирования этого умения, а также вклад различных предметов в становление и развитие данного умения на каждом из этапов развития. Эти этапы и роль различных предметов в формировании экспериментальных умений в книге определены на основе анализа школьных программ. Выделяется пять основных этапов, содержание и задачи которых представлены ниже.

На первом этапе (1-5 классы - уроки математики и природоведения; 6 - биология) завершается первоначальное ознакомление учащихся с отдельными элементами экспериментальной деятельности и отработки умений проводить простейшие измерения и наблюдения.

В 7 - 8 классах раскрывается структура деятельности по выполнению эксперимента на примерах элементарных опытов и лабораторных работ, проводимых на основе коллективного обсуждения плана их выполнения. При этом выявляются общие структурные элементы деятельности для всех опытов, и дается план этой деятельности в сокращенном виде:

Сформулировать (уяснить) цель опыта.

Выявить, что надо наблюдать и измерять.

Продумать ход работы (план её выполнения).

Выполнить опыт в соответствии с намеченным планом (включая наблюдения и измерения).

Произвести вычисления и анализ полученных результатов.

Сформулировать выводы из опыта.

На данном этапе важно дать первоначальное понятие об эксперименте как методы научного познания. Необходимо ознакомить учащихся с различными способами записей измерений (столбцом, в строку, в таблицу), с прямым и косвенным методами измерений величин. В 8 классе в процессе выполнения опытов необходимо обратить внимание па отработку измерительных умений и на обработку результатов до навыка, а также на выбор оборудования и условий проведения опыта.

Перечень частных умений, которыми должны овладеть учащиеся на втором этапе, приведен ниже.

В 7 классе учащиеся должны уметь пользоваться мензуркой, весами, динамометром, барометром, формулировать цель опыта, проводить и фиксировать результаты наблюдений, измерений, вычислений, делать выводы. В 8 классе пользоваться калориметром, амперметром, реостатом, вольтметром,

линзой, формулировать цель опыта, определять условия его протекания, собирать электрические цепи и простейшие установки, проводить наблюдения, измерения и вычисления, фиксировать их результаты, формулировать выводы.

На данном этапе учащиеся осознают необходимость овладения экспериментом как видом деятельности для успешного изучения предметов естественного цикла и развития творческих способностей, знакомятся с общей структурой учебного эксперимента, составляют простейший план алгоритмического характера и используют его при подготовке и выполнению опытов и лабораторных работ.

происходит ознакомление учащихся со структурой научного эксперимента и выработка обобщенного плана деятельности при выполнении учебного эксперимента. Здесь необходимо обратить внимание на определение погрешностей измерений.

На данном этапе учащиеся должны уметь пользоваться штангенциркулем, микрометром, счетчиком оборотов, секундомером; формулировать цель эксперимента выдвигать и обосновывать гипотезу, которую можно положить в его основу; определять условия протекания опытов; делать необходимые наблюдения, измерения, запись результатов эксперимента; проводить отбор приборов, материалов и сборку установок; проводить опыты в запланированной последовательности, математическую обработку результатов эксперимента с определением абсолютной и относительной ошибок, формулировать выводы.

Таким образом, на третьем этапе у учащихся формируются все операции, входящие в состав деятельности по проведению эксперимента, за исключением формулировки цели и гипотезы. Деятельность учащихся при этом в значительной степени носит исследовательский характер.

На четвёртом этапе формирования обобщенных экспериментальных умений (в 10 классе) проводится дальнейшая детализация плана деятельности учащихся при проведении эксперимента, в котором выделяются крупные блоки и структура каждого из них. В результате возникает развернутый план:

Осознание и теоретическое обоснование избираемого варианта эксперимента:

а) уяснить цель эксперимента;

б) сформулировать и обосновать гипотезу, которую можно положить в основу эксперимента (указать, на основе какой теории или закона).

Проектирование эксперимента:

а) определить условия, необходимые для проведения опыта (проверка гипотезы).

б) наметить наблюдения, которые необходимо провести;

в) определить измеряемые величины;

г) наметить приборы и материалы для эксперимента;

д) выбрать последовательность выполнения опытов;

е) выбрать форму записи результатов эксперимента;

Подготовка материальной базы, создание условий для проведения эксперимента:

а) отобрать необходимые приборы и материалы;

б) собрать установку, электрическую цепь;

в) создать необходимые условия для проведения эксперимента.

Осуществление собственно эксперимента:

а)осуществить наблюдения и измерения в запланированной последовательности;

б) записать результаты эксперимента.

Осуществление математической обработки результатов измерения:

а) вычислить искомые величины;

б) вычислить погрешность и записать результаты вычислений с указанием погрешностей измерений.

Осмысление результатов эксперимента:

а) проанализировать результаты эксперимента;

б) сформулировать выводы в словесной, знаковой и графической форме.

На четвертом этапе учащиеся должны уметь пользоваться штангенциркулем, секундомером, техническими весами, барометром, термометром, металлическим барометром, психрометром, амперметром, вольтметром, омметром; обращаться с выпрямителем электрического тока, реохордом; выполнять весь эксперимент самостоятельно.

На заключительном (пятом) этапе формирования обобщенных экспериментальных умений происходит совершенствование плана экспериментальной деятельности. Выполнение опытов проводится по сокращенному плану:

Осознание цели и теоретическое обоснование избираемого варианта эксперимента.

Проектирование эксперимента.

Подготовка материальной базы и условий для проведения эксперимента.

Осуществление эксперимента.

Математическая обработка результатов эксперимента.

Осмысливание результатов эксперимента. Формулировка выводов.

В 11 классе учащиеся должны уметь использовать в лабораторных

условиях часовой механизм, ламповый генератор, генератор переменного

тока, трансформатор, простейший радиоприемник, микроскоп, фотоэлемент,

счетчик Гейгера; работать с микроскопом, амперметром, вольтметром, авометром в цепях переменного тока; выполнять весь эксперимент самостоятельно. [2].

ГЛАВА 2: МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА.

В Основных направленных реформы общеобразовательной и профессиональной школы указано, что для повышения качества учебно - воспитательного процесса необходимо "усилить политехническую направленность содержания образования; больше уделять внимания практическим и лабораторным занятиям, показу технологического применения законов физики, химии, биологии и других наук, создавая тем самым основу для трудового обучения и профессиональной ориентации молодежи".

Требования повышения уровня практической направленности школьного курса физики, его связи с жизнью выдвигают в число актуальных проблем методики преподавания этого предмета задачу оптимального определения содержания и способов проведения учебного физического эксперимента, обеспечивающего более высокий научный уровень преподавания физики.

Положение об изучении физики в школе на экспериментальной основе представляет собой один из ведущих принципов методики обучения физики с первых лет её становления, отраженный, например, в словах П. А. Знаменского: "... Не может быть споров и сомнений о том, что при изучении физики в школе обязательно возможно более полное применение эксперимента", трактуется оно иногда односторонне, лишь как простое требование использования демонстрационных опытов в процессе преподавания физики. Между тем эксперимент - неотъемлемая часть содержания физического образования и один из методов получения знаний. Требование полноты системы учебного физического эксперимента предполагает всесторонне рассмотрение его роли в места в учебном процессе.

Физический эксперимент может рассматриваться как:

Источник фактов, знаний о мире;

Один из методов познания окружающего мира;

Методическое средство, обеспечивающее наглядность обучения, делающее учебный материал более доступным, а также развивающее интерес к физике;

Способ организации самостоятельной и творческой деятельности учащихся;

• Обязательный завершающий этап познания окружающего мира, устанавливающий связь теории с практикой, раскрывающей цели изучения физики и проведения физических исследований.

Каждый демонстрационный опыт или лабораторная работа могут быть рассмотрены с этих различных точек зрения. Однако при отборе содержания учебного физического эксперимента, при разработке методики его проведения необходимо четко определить ведущий аспект, основные цели и задачи данного опыта в системе учебного эксперимента и в школьном курсе физики в целом.

Чтобы тот или иной опыт обязательно вошел в содержание обучения физики, он должен найти отражение в программе и учебнике, быть обеспечен в школьном кабинете соответствующим оборудованием. Очевидно, что отразить в программе все возможные демонстрационные опыты и лабораторные работы нельзя, так как учебный эксперимент, служащий средством наглядности, развития интереса учащихся, организации их самостоятельной и творческой деятельности, слишком обширен, и учителю должно быть представлена самостоятельность в его выборе. В этих целях он может использовать как типовое, так и самодельное оборудование, давать школьникам разнообразные кратковременные фронтальные или индивидуальные задания, предлагать экспериментальные задачи исследовательского или конструкторского типа.

Рассмотрим сначала принципы отбора той части учебного эксперимента, которая должна получить обязательное отражение в программе и учебниках. Прежде всего она должна обеспечивать возможность формировать диалектико - материалистического мировоззрения школьников, служить фундаментом физических теорий и критерием истинности полученных знаний. В соответствии с этим мы относим к ней некоторые аналоги классических фундаментальные физические открытия. Целесообразность их выполнения в условиях школы иногда подвергается сомнению на том основании, что такого рода эксперименты могут способствовать созданию у учащихся ошибочного представления, будто бы фундаментальные законы природы устанавливаются на простых опытах и примитивном оборудовании.