Методика формирования у учащихся энергетического метода описания физических явлений разной природы

#

МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ У УЧАЩИХСЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕТОДА ОПИСАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ

METHODS OF THE PUPILS' FORMING ENERGY METHOD OF THE DESCRIPTION OF THE PHYSICAL PHENOMENA OF DIFFERENT KINDS

А. С. Исмухамбетова, Г. П. Стефанова

В данной статье рассмотрено содержание энергетического метода в обобщенном виде, описана методика формирования отдельных действий метода и метода в целом, представлены новые дидактические средства: задачи-упражнения и карточки-предписания, которые являются средствами формирования действий метода и организации деятельности учащихся.

Ключевые слова: обобщенный метод, энергетический метод, задачи-упражнения, карточки-предписания.

A. S. Ismukhambetova, G. P. Stefanova

In the article the subject of the energy method in its generalised type is scrutinized, methods of the shaping separate action methods and method as a whole are described, new didactic facilities such as tasks-exercises and cards-prescriptions, which are a facility of the shaping action method of organizing activity pupils are presented.

Keywords: the generalised method, energy method, problems-exercises, cards-prescriptions.

Современной тенденцией методики обучения учащихся физике в школе является формирование у них нового типа мышления, связанного с формированием способов познавательной деятельности. Эта тенденция может быть реализована, если обучать школьников обобщенному методу изучения физических явлений разной природы. Содержание такого метода выявляется на основе фундаментальных идей физики, одной из которых является энергетический подход описания физических явлений.

Законы сохранения входят в число общих физических законов, описывающих многообразие явлений на макро-и микроуровнях. Эта генеральная линия развития учебного материала заложена в Федеральном государственном стандарте основного общего и среднего (полного) образования по физике. Одной из целей физического образования школьников является формирование у них энергетического метода изучения физических явлений, который заключается в том, что выпускники должны знать смысл энергетических физических величин и уметь решать задачи с применением закона сохранения и превращения энергии [1].

Однако практика преподавания и специально проведенный педагогический эксперимент показывают, что представления многих учащихся об универсальности закона сохранения энергии остаются формальными. Это выражается в неумении применять законы сохранения в решении физических задач, в условии которых описываются физические явления разной природы. Из аналитического отчета о результатах ЕГЭ 2010-2011 гг. по физике следует, что проблемными для учащихся остаются задания на применение закона сохранения энергии к различным процессам: от 35% до 40% участников экзамена ре-

шают задачи с применением этого закона в механических процессах, 18% тестируемых успешно применяют его как первое начало термодинамики для решения задач на тепловые явления и фазовые превращения, а применить закон сохранения энергии к электромагнитным явлениям могут лишь выпускники из группы с самым высоким уровнем подготовки [2].

Одна из причин сложившейся ситуации заключается в том, что в учебниках физики для средней школы и в методической литературе недостаточно акцентируется необходимость изучения физических явлений энергетическим методом. Как следствие, учащиеся не осознают потребности в применении этого метода для конкретных ситуаций, не могут перенести его для исследования с механических явлений на явления другой природы: тепловых, электрических, магнитных, квантовых. Также не описываются и не создаются ситуации, которые просто невозможно изучать динамическим методом, то есть у обучаемых не возникает потребность в поиске другого способа изучения или описания физических явлений, а именно способа, основанного на применении энергетических физических величин.

Для того чтобы сформировать у обучаемых умение использовать этот метод, необходимо выделить его содержание, которое должно быть представлено действиями, расположенными в определенной последовательности в обобщенном виде. Другими словами, надо разработать метод, позволяющий изучать физические явления любой природы, то есть обобщенный метод. Целью этого метода является составление уравнения, связывающего изменение энергии с причиной, вызвавшей это изменение.

Содержание обобщенного энергетического метода представляет собой следующие действия:

Ф

Таблица 1

Элементы физических знаний и адекватные им виды деятельности

Элементы физических знаний Виды деятельности, адекватные знаниям

Понятие о физическом объекте 1. Распознавание объектов, соответствующих понятию, в конкретной ситуации 2. Воспроизведение конкретных объектов, соответствующих понятию

Понятие о состоянии 1. Распознавание состояния, соответствующего понятию, в конкретной ситуации 2. Воспроизведение состояния, соответствующего понятию, в конкретной ситуации

1. Обосновать необходимость применения энергетического метода в конкретной ситуации.

2. Выбрать начальное (I) и конечное (II) состояния материального объекта.

3. Выбрать нулевой уровень потенциальной энергии.

4. Найти значение энергии материального объекта в I состоянии.

5. Найти значение энергии материального объекта во II состоянии.

6. Найти изменение энергии.

7. Установить, является ли данный материальный объект (физическая система) замкнутой системой. Если нет, то определить работу внешних сил, действующих на материальный объект (физическую систему).

8. Установить, действуют ли внутри этой системы внутренние диссипативные силы. Если да, то найти работу этих сил.

9. Составить уравнение, связывающее изменение энергии материального объекта с работой внешних и внутренних диссипативных сил для данной конкретной ситуации [3].

Из представленного содержания метода видно, что он состоит из довольно большого числа действий, каждое из которых выполняется с опорой на определенные физические знания. Поэтому обучать школьников сразу методу в целом нецелесообразно. Наше предложение сводится к тому, что каждое действие выделенного метода должно формироваться у учащихся специально и одновременно с изучением конкретной темы школьного курса физики. Формирование обобщенного энергетического метода возможно только в том случае, когда учащиеся уже обучены способам выполнения каждого действия, входящего в его содержание. Средствами формирования действий метода могут быть новые дидактические средства (задачи-упражнения и карточки-предписания), применение которых предложено С. В. Анофриковой.

Задачи-упражнения - это задания, программа выполнения которых строится с опорой на одно физическое знание, в сочетании с ситуациями, в которых эта программа должна выполняться. Карточка-предписание содержит только перечень операций и используется для организации деятельности учащихся по выполнению задания [3].

Опишем методику формирования некоторых действий энергетического метода.

Для формирования у учащихся второго действия, связанного с выбором начального и конечного состояний тела, надо выделить элементы знаний и адекватные им

виды деятельности. Это - понятия «физический объект», «состояние физического объекта». Эти понятия должны быть сформированы у учащихся на соответствующих уроках физики в 7-м классе. Виды деятельности, связанные с этими понятиями приведены в таблице 1.

Способ выполнения этих видов деятельности устанавливается из определения соответствующего понятия. Опишем способ формирования понятия «состояние объекта».

Термин «состояние» означает, что в данный момент времени объект (вещественный или полевой или вещество) обладает определенными свойствами и находится в определенном отношении с другими объектами [4]. Учащимся предлагается задание по распознаванию и воспроизведению состояний физического объекта, которое выполняется с опорой на данное определение.

Задание 1. Выбрать первое и второе состояние физического объекта.

1. Кусок олова нагрели, и оно расплавилось.

2. Вода испарилась и превратилась в пар.

3. Пуля массой 9 г летит со скоростью 600 м/с.

4. Камень массой 0,5 кг, соскользнув по наклонной плоскости с высоты 3 м, у основания приобрел скорость 6 м/с.

5. Два медных бруска одинаковой формы и массами 100 г и 500 г были взяты при комнатной температуре и погружены в кипящую воду на одинаковое время.

6. Оставив самолет, парашютист некоторое время движется с возрастающей скоростью, а затем - с постоянной.

7. Сначала кирпич занимал горизонтальное положение, затем его поставили вертикально.

8. Мальчик массой 48 кг поднялся по лестнице своего дома на высоту 10 м.

Программа действий по выполнению этого задания представлена в виде карточки-предписания (табл. 2).

Следующее задание направлено на формирование у школьников умения воспроизводить ситуации, в которых физический объект находится в определенных состояниях.

Аналогично формируем остальные действия метода. Приведем пример дидактических средств по формированию шестого действия метода - «найти изменение энергии тела».

Задание 2. Найти изменение механической энергии тела в следующих ситуациях.

1. Для эвакуации людей из совершившего аварийную посадку самолета используется надувной трап, расположенный под углом 45° к поверхности земли. Верхняя часть трапа находится на высоте 3 м. Коэффициент трения при движении человека по трапу 0,2.

Таблица 2

Карточка-предписание к заданию 1

Способ выполнения Анализ ситуации №1

1. Выделить физический объект Кусок олова

2. Выяснить, сколько состояний объекта указано в данной ситуации Два состояния

3. Установить свойства физического объекта в начальный момент времени Кусок олова в твердом состоянии

4. Установить свойства физического объекта в конечный момент времени Олово в жидком состоянии

2. Тело массой 400 г прикреплено к сжатой пружине, жесткость которой равна 100 Н/м. После освобождения пружины тело совершает такие колебания, что максимальное удлинение пружины составляет 10 см.

3. Пуля, вылетевшая из винтовки со скоростью 1000 м/с, упала на землю со скоростью 500 м/с. Масса пули 10 г.

4. Неупругие шары массами 1 кг и 2 кг движутся навстречу друг другу со скоростями соответственно равными 1 м/с и 2 м/с. Произошел неупругий удар этих шаров.

5. Мяч падает вниз с высоты Н и отскакивает на высоту 2Н при абсолютно упругом ударе о поверхность стола.

6. Во время пожара человек выпрыгнул с высоты Н = 15 м в сугроб рыхлого снега. Глубина вмятины в сугробе оказалась равной И = 1 м. Найти скорость человека в момент касания сугроба.

7. Пуля массой 10 г, летевшая со скоростью 600 м/с, попадает в бревно и застревает в нем, углубившись на 10 см.

При выполнении задания составляется программа в виде перечня действий, которые после обсуждения фиксируются учащимися в тетрадях в определенной последовательности. Учитель, опираясь на разработанную программу, выполняет задание в первой ситуации, показывая образец его оформления. Следующую ситуацию учитель предлагает выполнить всем учащимся по действиям про-

граммы. Каждый ученик получает карточку-предписание, в которой выделены выполняемые действия и представлен анализ ситуации 1 (табл. 3).

Две последующие ситуации учащиеся выполняют по действиям (программа действий перед глазами учащихся). Учитель называет действие, учащиеся его выполняют, прописывая в тетрадях результат его выполнения, и показывают его учителю. Роль учителя - контроль правильности выполнения каждого действия предписания. Затем порядок работы учащихся изменяется. Для следующих двух ситуаций карточка-предписание убирается и организуется попарный контроль: один ученик выполняет последовательно все действия по памяти, проговаривая их вслух, а другой контролирует правильность называемых действий и способ выполнения по карточке-предписанию. При выполнении задания в другой ситуации они меняются ролями. Далее в других двух ситуациях учитель предлагает учащимся действовать самостоятельно, проговаривая про себя действия и способы их выполнения. Контроль осуществляется по конечному результату: учитель называет номер ситуации, а учащиеся дают ответ. Контрольным этапом усвоения этой деятельности является выполнение задания в оставшихся ситуациях. Учащиеся

Таблица 3

Карточка-предписание к заданию 2

Способ выполнения

Анализ ситуации № 1

1. Составить графическую модель ситуации

2. Выбрать начальное и конечное состояния тела в данной ситуации

За начальное состояние примем положение тела на вершине наклонной плоскости, за конечное состояние примем положение тела в конце наклонной плоскости

3. Выбрать нулевой уровень потенциальной энергии

За нулевой уровень потенциальной энергии принимаем поверхность Земли

4. Найти кинетическую и потенциальную энергии тела в начальном состоянии, записать их сумму

Найдем кинетическую и потенциальную энергии материального объекта в первом состоянии:

Ек1 = 0, Ер1 = mgh, Е1 = Ек1 + Ер1 = mgh

5. Найти кинетическую и потенциальную энергии тела в конечном состоянии, записать их сумму

Найдем кинетическую и потенциальную энергии материального объекта во втором состоянии:

Ек = т»2/2, Ер = 0, Е2= Ек + Ер = т»2/2

6. Записать изменение механической энергии тела при переходе тела из начального состояния в конечное состояние

Найдем изменение механической энергии:

АЕ = Е2 - Е1 = ту2/2 - mgh

#

записывают лишь результаты выполнения действий и сдают работы учителю для контроля.

После того как каждое действие рассматриваемого метода сформировано при изучении конкретных тем, можно обучать учащихся методу в целом. Формировать метод в целом предлагаем в 9-м классе при изучении раздела «Механика», когда все действия метода сформированы у учащихся. Для этого нужны определенные дидактические средства, а именно задачи-проблемы, которые можно решать с применением энергетического метода.

список источников и ЛИТЕРАТУРЫ

1. Официальный информационный портал Единого государственного экзамена [Электронный

ресурс]. - Режим доступа: http://www.edu.ru (дата обращения 14.11.2011).

2. Федеральный институт педагогических измерений [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.fipi.ru (дата обращения 14.11.2011).

3. Анофрикова С. В., Стефанова Г. П. Применение задач в процессе обучения физике: Учеб. пособие для студентов физ. ф-тов пед. ин-тов. - М.: Прометей, 1991. - 176 с.

4. Анофрикова С. В. Азбука учительской деятельности, иллюстрированная примерами деятельности учителя физики: В 2 ч. - Ч. 1. Разработка уроков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Прометей, 2001.- 324 с.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПОНЯТИЯ «СОПРЯЖЕНИЕ» В ПОНИМАНИИ КОЭВОЛЮЦИИ ТИПОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И СРЕДЫ ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМОВ

THE METHODOLOGICAL ROLE OF THE CONCEPT OF "COUPLING" IN THE UNDERSTANDING OF COEVOLUTION OF TYPES OF METABOLISM AND HABITAT OF ORGANISMS

И. А. Третьякова С. М. Похлебаев

Понятие «сопряжение» может использоваться не только при характеристике конкретных физических, химических и биологических явлений (в узком смысле), но и как категория, отражающая общий принцип организации материального мира. В статье обосновывается методологическаяроль понятия «сопряжение» в понимании сущности общей стратегии коэволюции типов обмена веществ у живых организмов нашей планеты и среды их обитания.

I. A. Tretyakova, S. M. Pohlebaev

The concept of "coupling" can be used not only in its narrow sense when characterizing the specific physical, chemical and biological phenomena, but as a category, reflecting the general principle of organization of the material world. The article justifies the methodological role of the concept of "coupling" in the understanding of the general strategy of coevolution of types of metabolism in living organisms on our planet and their habitats.

Ключевые слова: методология, обмен веществ, среда обитания, сопряжение, коэволюция.

Keywords: methodology, pling, coevolution.

metabolism, habitat, cou-

Развитие диалектической логики означает дальнейшую разработку категорий материалистической диалектики, обогащение их содержания, выдвижение новых понятий, выступающих в роли категорий диалектики, установление связи между ними, построение системы, позволяющей в наиболее полном виде выражать их содержание и продвигать научное знание вперед. Опираясь на это фундаментальное положение, авторы статьи дали в предыдущем исследовании достаточно глубокое философское обоснование сущности сопряжения как важнейшей стороны взаимодействия [1].

Взаимодействие не является однозначным процессом. В одних случаях воздействия между объектами приводят к их деградации, разрушению, снижению уровня организации, в других - к объединению, созданию более сложной системы, у которой возникает новое качество. Второй тип (сторона) взаимодействия нами был охарактеризован как сопряжение. В словаре русского языка С. И. Ожегова понятие «сопряженный» трактуется как «взаимно связанный, непременно сопровождаемый чем-нибудь» [2, с. 650].

Проведенный ранее теоретический анализ показал, что природа широко использует сопряжение как принцип эволюции вещества. Действие этого принципа имеет место во

Ф