Неотъемлемой частью физического образования является формирование умений решать задачи разного уровня сложности, в том числе и экспериментальные задачи. Особенность экспериментальных задач заключается в том, что абстрактные научные знания по физике в представлении учащихся приобретают реальный смысл, приближая их к изучению окружающего мира. Экспериментальные задачи по физике активизируют внимание обучающихся на уроках, повышают их интерес к предмету, у учащихся появляется желание самим добывать знания, также формируются навыки самостоятельной работы учащихся.
Решение экспериментальных задач является сложной деятельностью, которую не всегда в полной мере удается формировать у учащихся. Деятельностный подход в обучении предлагает выделять действия, которые являются общими для частных видов деятельности, их называют обобщенными приемами [1].
Цель исследования: изучить эффективность обобщенных приемов при формировании умений решать качественные экспериментальные задачи по физике.
Материал и методы исследования
Формирование обобщенного приема занимает значительно меньше времени, чем формирование умений решать конкретные экспериментальные задачи, так как спектр таких задач обширный.
Экспериментальные задачи можно классифицировать по трем категориям [2]: 1) качественные экспериментальные задачи; 2) количественные экспериментальные задачи; 3) творческие экспериментальные задачи. Качественные экспериментальные задачи поставлены на конкретной физической установке и не требуют для решения количественных данных и математических расчетов. Количественные задачи требуют решения путем математического расчета данных, полученных экспериментально. Творческие экспериментальные задачи представляют собой модель научной задачи, в которой дается конечная цель, но какие-либо четкие указания, инструкции к достижению цели отсутствуют. Каждая из категорий делится на 2 типа. Качественные задачи можно разделить на 2 типа: тип 1 – экспериментальные задачи на воспроизведение явления в конкретной ситуации, тип 2 – экспериментальные задачи на предсказание результата эксперимента. Типы количественных задач: тип 1 – экспериментальные задачи-упражнения, тип 2 – собственно экспериментальные задачи. Тип 1 творческих задач – экспериментальные задачи на исследование конкретного физического процесса, требующего от ученика самостоятельного поиска метода решения, составления плана исследования с использованием тех приборов и оборудования, которые заранее ему были выданы. Тип 2 творческих задач – задачи-исследования, требующие от ученика самостоятельного поиска пути решения, составления плана исследования, а также выбора приборов и оборудования для достижения цели.
Для решения экспериментальных задач ученик должен применить не только практические, но и методологические умения, к которым относится усвоение теоретических знаний о методах научного познания. Теоретические методологические умения лучше начинать формировать в процессе решения качественной экспериментальной задачи 1-го типа. Целью задачи 1-го типа является воспроизведение явления в конкретной ситуации, для чего сначала нужно выделить признаки физического явления, затем подобрать приборы и оборудование, составить программу проведения эксперимента и воспроизвести явление. Исходя из этого приведем пример применения обобщенного приема по воспроизведению физических явлений в конкретной ситуации (тип 1 качественной задачи) на основании логической схемы, составленной С.В. Анофриковой и др. [1, 3].
Пример решения качественной экспериментальной задачи 1-го типа
Задача: Установить зависимость расстояния между дифракционными максимумами (минимумами) от вида монохроматической волны (используйте лазер с красными и зелеными лучами).
Шаг 1 – из условия задачи выявляем термин, обозначающий исследуемое физическое явление (Дифракция световых волн).
Шаг 2 – даем термину определение (Дифракция световых волн – явление отклонения световой волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия или огибании волной малых препятствий, в результате которых возникает дифракционный спектр).
Шаг 3 – из определения физического явления находим его структурные элементы: материальный объект I (МО I); материальный объект II (МО II); условие взаимодействия (УВ); результат взаимодействия (МО I – световая волна; МО II – малое препятствие; взаимодействие и условие взаимодействия – огибание световой волны малого препятствия; результат – дифракционный спектр).
Шаг 4 – указываем элементы экспериментальной установки (ЭУ), с помощью которых будем воспроизводить физическое явление: объект исследования (ОИ); воздействующий объект (ВО); индикатор; управляющие элементы (УЭ), с помощью которых ОИ и ВО должны приводиться в контакт (ОИ – монохроматический параллельный пучок света; ВО – тонкая нить; индикатор – расстояние между максимумами (минимумами) дифракционного спектра; УЭ – элементы, с помощью которых лучи света попадают на тонкую нить, и происходит огибание светом препятствия).
Шаг 5 – составляем принципиальную схему ЭУ (Схема: монохроматический параллельный пучок от лазера падает на тонкую нить, огибает и падает на экран в виде дифракционных максимумов и минимумов).
Шаг 6 – подбираем приборы для ЭУ (Полупроводниковый лазер с красными лучами, тонкая нить на держателе, линейка, экран).
Шаг 7 – монтируем ЭУ (Проводим монтаж ЭУ).
Шаг 8 – воспроизводим явление (Проводим эксперимент сначала с лазером с красными лучами, а затем с зелеными лучами, измеряем расстояние между дифракционными максимумами).
Шаг 9 – формулируем результат эксперимента (При изменении источника света изменяется расстояние между дифракционными максимумами (минимумами), расстояние между максимумами спектра красного цвета больше, чем у спектра зеленого цвета).
Педагогический эксперимент проходил среди учащихся 11-го класса (24 человек) на базе МОБУ «Технический лицей Н.А. Алексеевой» г. Якутска Республики Саха (Якутия). Было проведено 10 экспериментальных уроков, тематический план которых приведен в таблице 1.
Таблица 1
Тематическое планирование
№ |
Тема урока |
Цель урока |
Содержание урока |
1 |
Вводное занятие |
Входной контроль знаний и умений решать качественные экспериментальные задачи |
Учащиеся решают ряд качественных экспериментальных задач |
2 |
Определение физического явления |
Формировать умения: – указать из условия задачи термин, обозначающий название физического явления; – дать определение данному термину |
Учащимся предлагается ряд задач, в которых они должны указать термин физического явления и дать его определение |
3 |
Структурные элементы физического явления |
Формировать умение выделять структурные элементы физического явления |
В ряде задач из определения физического явления учащиеся должны выделить его структурные элементы: МО I, МО II, УВ и результат взаимодействия |
4 |
Характеристики элементов экспериментальной установки |
Формировать умение устанавливать характеристики элементов экспериментальной установки |
Учащиеся в задачах указывают характеристики элементов ЭУ для воспроизведения явления |
5 |
Воспроизведение физических явлений |
Формировать экспериментальные умения: – составить принципиальную схему; – подобрать приборы; – смонтировать установку; – воспроизвести явление |
Учащиеся при решении ряда задач должны: – составить принципиальную схему ЭУ; – подобрать приборы для ЭУ; – смонтировать ЭУ; – воспроизвести явление |
6 |
Промежуточный контроль знаний и умений |
Промежуточный контроль знаний и умений по применению обобщенного приема к конкретным задачам |
Учащиеся решают ряд качественных экспериментальных задач |
7–9 |
Решение качественных экспериментальных задач с использованием обобщенного приема |
Закрепить умения и навыки решения качественных экспериментальных задач с использованием обобщенного приема |
Учащиеся применяют обобщенный прием к конкретным качественным экспериментальным задачам |
10 |
Итоговое занятие |
Выходной контроль знаний и умений решать задачи |
Учащиеся выполняют контрольную работу |
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты педагогического эксперимента проанализировали с использованием методов математического статистического анализа.
Коэффициент полноты выполнения обобщенного приема по решению экспериментальных задач вычислили, используя методику, предложенную авторами [4]: где – число правильно выполненных действий -тым учащимся; – общее число действий; – число учащихся.
Значения коэффициентов полноты выполнения каждого действия, указанного отдельно по шагам (, приведены в таблице 2.
Таблица 2
Значения коэффициентов полноты выполнения действий (%)
Исходный срез |
71 |
0 |
0 |
0 |
50 |
33 |
25 |
38 |
38 |
Промежуточный срез |
100 |
71 |
0 |
0 |
50 |
100 |
100 |
75 |
25 |
Конечный срез |
100 |
100 |
88 |
79 |
100 |
100 |
100 |
100 |
100 |
Сравнение данных трех срезов показало, что в конце обучения учащиеся научились применять обобщенный прием решения к конкретным экспериментальным задачам. В начале обучения учащиеся не могли указать, какое физическое явление описано в условии задачи, затруднялись давать определение физического явления. В процессе обучения трудными оказались операции третьего действия: выделение из определения физического явления двух взаимодействующих объектов, условий их взаимодействия, результата их взаимодействия. Наиболее низкий коэффициент освоения в конце обучения имеет четвертое действие, заключающееся в определении характеристик структурных элементов экспериментальной установки.
Для первичной статистической обработки данных вычислили среднее арифметическое значение , дисперсию , среднее квадратичное отклонение , коэффициент вариации , а также ошибку средней арифметической вариационных рядов, значения которых приведены в таблице 3.
Таблица 3
Основные характеристики статистического распределения экспериментальных данных
Исходный срез |
28 |
63 |
7,9 |
28 |
1,62 |
Промежуточный срез |
58 |
66 |
8,1 |
14 |
1,66 |
Итоговый срез |
96 |
49 |
7,0 |
7 |
1,43 |
Из таблицы 3 видно, что коэффициент полноты выполнения обобщенного приема в конце обучения повысился. В итоговом срезе дисперсия и среднее квадратичное отклонение вариантов уменьшились, что показывает увеличение плотности результатов выборки. Значения коэффициентов вариации показывают однородность трех выборок, степень однородности выборок к концу обучения увеличивается. По величине ошибки средней арифметической можно судить о «колеблемости» средней величины коэффициента. Увеличение плотности и однородности выборок к концу обучения свидетельствует о достижении сравнительно одинаково успешных результатов обучения.
Затем проверили нормальность распределения вариационных рядов, используя гипотезу М.А. Плохинского [5]. Гипотеза гласит: «Если показатели асимметрии и эксцесса превышают свои ошибки репрезентативности и в 3 и более раза, то можно говорить о достоверном отличии эмпирических распределений от нормального распределения». Рассчитали показатели асимметрии и эксцесса по формулам:
и E
и сопоставили с их ошибками репрезентативности и :
, где ; , где
Результаты сопоставлений приведены в таблице 4.
Таблица 4
Проверка нормальности эмпирического распределения
Исходный срез |
1,14 |
–0,17 |
0,5 |
1 |
2,3 |
0,17 |
Промежуточный срез |
1,05 |
1,67 |
0,5 |
1 |
2,1 |
1,67 |
Итоговый срез |
1,41 |
1,15 |
0,5 |
1 |
2,8 |
1,15 |
Результаты расчета, приведенные в таблице 4, доказали, что эмпирическое распределение вариационного ряда близко к нормальному распределению. В связи с этим при статистической обработке данных применяем параметрические методы.
Выдвигаем статистическую нулевую гипотезу – обучение обобщенному приему решения задач в группе испытуемых в середине обучения и после обучения не дало существенных положительных изменений. Выдвигаем альтернативную гипотезу – обучение обобщенному приему решения задач в середине обучения и после обучения дало существенные положительные результаты. Мы исследовали одну и ту же группу трижды (до, в середине и после педагогического воздействия), поэтому выборки зависимы между собой. Так как ряды двух выбранных выборок однородны и подчинены нормальному закону, для выявления различий между двумя выборками использовали параметрический параметр -критерий Стьюдента [5]:
,
где – среднее значение разности всех пар показателей; – число пар наблюдений. Стандартное отклонение среднего значения разности рассчитали по формуле:
.
Из таблицы 5 видно, что эмпирические значения критерия существенно превышают табличный критерий при всех уровнях значимости.
Таблица 5
Сравнение экспериментальных и табличного критериев Стьюдента
(исходный срез – промежуточный срез) |
промежуточный срез – конечный срез) |
исходный срез – конечный срез) |
|
23,7 |
28,5 |
89,9 |
3,76 |
Заключение
Результаты проведенного эксперимента доказывают эффективность разработанной методики обучения учащихся решению экспериментальных задач по физике с использованием обобщенных приемов. Владение обобщенным приемом помогает учащимся грамотно, осознанно выполнять конкретные действия при решении экспериментальных задач. Достоверность результатов педагогического эксперимента доказана методами математической статистики.