Системы познавательных задач для открытия законов термодинамики и постоянного тока в 8-м классе

На уроках объяснения нового материала я стараюсь построить процесс получения учащимися знаний таким образом, чтобы они “самостоятельно” открывали физические законы. При таком подходе приходится перестраивать сам порядок введения материала по сравнению с учебником. В данной работе я предлагаю разработку систем познавательных задач, решаемых учащимися на таких уроках для двух разделов физики 8 класса.

Схема деятельности по открытию закона на эмпирическом уровне познания

Схема, которую я использую на уроках “открытия законов” (табл. 1), почти не отличается от схем, данных в работах [1] и [2]. Схема эта известна ученикам с седьмого класса. Но если в седьмом классе не была проведена работа по составлению обобщенной схемы такой деятельности, то эту работы можно провести и в восьмом классе. Я делаю это так.

Сначала вместе с учениками мы обсуждаем вопрос, что какая-то конкретная физическая величина (ФВ) может принимать различные значения. Например, при нагревании на спиртовке изменение температуры может оказаться различным для различных тел. Естественно, встает вопрос, от каких физических величин зависит данная ФВ. Мы записываем этот вопрос в виде познавательной задачи. Ребята выдвигают гипотезы. Их мы тоже записываем. И начинаем работать по плану “Открытия закона”. Однако, поскольку учащиеся с такой деятельностью еще не сталкивались, им этот план неизвестен. Поэтому учитель старается наводящими вопросами помочь учащимся работать по этому плану, не предлагая, однако, самого плана. Так же он поступает на последующих 1–2 уроках, на которых учащиеся занимаются подобной деятельностью (вместе с учащимися “открываются” последующие законы).

После такой подготовки проводится урок обобщения. Учащимся предлагаются таблицы, где все 3 плана по “открытию” конкретных законов расположены параллельно друг другу. Ученикам предлагается составить общий план деятельности по открытию физического закона. Составленные планы обсуждаются и корректируются. Затем такой обобщенный план ученики собирают из “россыпи фраз”, каждый на своем столе. В завершении этой работы план записывается в тетрадь и дома красиво оформляется. На последующих уроках учащиеся пользуются своими планами и плакатом с планом, висящим на стене. Подробней об организации этой деятельности и других видов деятельности учащихся на уроках физики можно прочитать в книгах [1–4].

При организации экспериментальной работы учащихся надо всегда подчеркивать, что закон является обобщением большого числа экспериментов. Поэтому там, где провести опыты для нескольких веществ невозможно, да и в других случаях, следует рассказывать об аналогичных опытах, проводимых учеными.

Тепловые явления

Начинается данная серия уроков с введения новой ФВ “Количество теплоты”. Данная ФВ вводится теоретически. При этом мы не можем полноценно ввести понятие о новой ФВ, так как не можем задать способа сравнения количеств теплоты. Однако так как она определяется как изменение внутренней энергии, ясно, что единицей измерения количества теплоты является единица энергии.

Трудность состоит в том, что мы не можем измерить эту ФВ, поэтому рассказать об опытах Джоуля, на мой взгляд, необходимо. Можно предложить ребятам самим придумать, как измерить значение количества теплоты, а затем рассказать об истории этого вопроса.

Этим рассказом завершается подготовка к серии уроков по открытию законов теплообмена. Конечно, эти уроки будут перемежаться уроками решения качественных и количественных задач, т.е. уроками “освоения” полученных данных. Я хочу показать в этой статье лишь логику построения уроков объяснения нового материала.

Комментарии.

Урок 1. Температура, в отличие от количества теплоты, – величина, известная ученикам. Однако стоит обсудить вопрос измерения температуры. Для создания мотивации на решение последующей познавательной задачи можно также обсудить, как мы узнаем, что между двумя телами идет процесс теплообмена (теплопередачи).

При решении ПЗ о зависимости температуры от количества теплоты (ПЗ № 1) следует обсудить проблему, как сравнивать значения количества теплоты. На мой взгляд, проще всего и доступней пониманию школьников является предположение о том, что спиртовка за равные промежутки времени дает равные количества теплоты. Тогда решается ПЗ о зависимости изменения температуры от времени нагрева. Кроме того, рассматривается гипотеза о зависимости изменения температуры от массы тела (ПЗ № 2). Ученики всегда выдвигают гипотезу о зависимости разницы температур от рода вещества. И как во многих других подобных случаях следует объяснить, что мы пока не можем характеризовать свойство вещества изменять температуру при теплообмене конкретной ФВ.

При планировании эксперимента вместе с учащимися обсуждается выбор тела для проведения эксперимента. Проще всего взять жидкость, так как температуру жидкости легко измерить термометром, а также при использовании жидкостей легко брать тела разной массы. Лучше использовать не менее двух разных жидкостей (вода и масло). Эксперимент проводится одновременно для 3 масс. При этом записываются показания термометров через одинаковые промежутки времени. Делается вывод о качественном поведении зависимостей. Построение графиков (решение ПЗ II) можно при нехватке времени задать на дом.

При учете погрешностей измерения температуры и времени на графике получается прямо пропорциональная зависимость. При построении зависимости изменения температуры от массы некоторые ученики догадываются, что, по-видимому, полученная зависимость – обратно пропорциональная. Для того, чтобы в этом убедиться, надо построить график зависимости изменения температуры от 1/m. Обсуждение выводов эксперимента приводит к введению новой ФВ – удельной теплоемкости как коэффициента пропорциональности.

Отдельно проводится обсуждение аналогичной зависимости при охлаждении тела. Так как измерить количество отдаваемой теплоты очень трудно, эксперимент в школе мы не проводим. Но такие эксперименты проводились учеными неоднократно и они показывают подобную же зависимость с тем же коэффициентом пропорциональности.

Урок 2. Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, оценивается по температуре нагреваемой при этом воды, а в дальнейших работах (при изучении плавления и парообразования) можно оценивать количество теплоты по массе сгоревшего топлива или по времени горения спиртовки.

Обычно при обсуждении эксперимента ребята сами предлагают использовать для измерения количества теплоты нагрев. Если для экспериментов выбрать одно и то же количество воды, то о количестве теплоты можно судить по изменению температуры воды. Даже график можно строить для зависимости изменения температуры от массы топлива. Топливо (сухой спирт, бумага, дерево – спички без головок) взвешивается предварительно на весах. Эксперименты проводятся по возможности одновременно для разных видов и масс топлива (три вида топлива, три разных массы – девять опытов). Можно провести их и последовательно. Однако надо помнить, что чем выше температура воды, тем более интенсивно вода отдает тепло окружающей среде, поэтому лучше проводить опыты при не очень высокой температуре воды.

Урок 3. Эксперимент лучше провести так. В холодную воду добавляем кусочки льда до тех пор, пока температура не станет равной нулю. Затем отмеряем мензуркой равные объемы воды и переливаем воду в одинаковые стаканы. В каждый бросаем разное количество кусочков льда. Сразу засекаем время и отмечаем для каждого стакана промежуток времени, за который лед полностью растаял. Затем измеряем окончательный объем воды и делаем вывод о массе воды, получившейся из растаявшего льда. Количество теплоты, получаемое каждым стаканом с водой и льдом в единицу времени, считаем одинаковым, так как разность температур окружающего воздуха и воды в стаканах одинакова. Строим график зависимости времени (т.е. количества теплоты) от массы льда.

Если есть возможность проводить опыты по плавлению с другим веществом (воск), то можно нагревать сосуд с веществом на пламени горелки. Но отсчитывать время в этом случае надо от момента достижения температуры плавления.

Урок 4. В ходе опытов измеряется время от момента закипания до полного испарения воды для различных масс воды. Воды следует брать немного – от 10 до 50 мл. Опыт лучше проводить с алюминиевыми стаканами от калориметров, а для фиксирования результатов выбрать “экспериментаторов”. Результаты фиксируются на доске, а потом обрабатываются всем классом.

Постоянный электрический ток

При изучении законов постоянного тока трудности при “открытии” закона Ома состоит в том, что в лабораторном оборудовании отсутствуют источники питания, способные давать различные значения напряжения, а реостат изучается после введения ФВ “Сопротивление”, т.е. после изучения закона Ома. Я на своих уроках вышла из этого положения так.

При подготовке к данной серии уроков мы знакомимся с понятиями электрического тока, электрической цепи, с источниками электрического тока, собираем первую цепь на парте, чтобы увидеть магнитное действие тока. Кроме того, также на парте собирается и первый для учащихся гальванический элемент и для его характеристики вводится понятие напряжения: разные источники тока совершают различную работу по перемещению заряда вдоль цепи или работу по отклонению стрелки электрометра – электростатического вольтметра.

Урок 1. Для создания мотивации на введение новой ФВ показываю две цепи, в которых лампочки горят по-разному. Таким образом, становится понятно, что интенсивность электрического тока может быть различной. Вводим новую ФВ, характеризующую интенсивность тока – силу тока. В результате у нас ситуация, в которой новая ФВ принимает различные значения. А это исходная ситуация для постановки ПЗ по открытию физического закона.

Одна из гипотез для ответа на общую ПЗ: сила тока зависит от места включения амперметра. ПЗ № 1 решается учениками в самостоятельном эксперименте. Другая гипотеза – сила тока зависит от характеристик источника тока. Эта гипотеза обсуждается на следующем уроке.

Урок 2. На этом уроке продолжается решение ПЗ предыдущего урока, поэтому эти уроки следует проводить один за другим. А вот после этого урока можно провести урок закрепления изученного материала.

Итак, одна из гипотез – сила тока зависит от характеристик источника тока. Прямо на демонстрационном столе проверяем эту гипотезу для обеих цепей (см. урок № 1). Но цепи, которые я предлагаю, питаются от одинаковых источников, т.е. напряжение на источниках тока одинаково. Но в цепях разные элементы: это могут быть различные резисторы, спирали, несколько лампочек. Возникает гипотеза: а не определяется ли сила тока в цепи от напряжения на различных элементах, в том числе и на лампочке. И тут учителю надо немного “помочь” ученикам: на этом уроке надо ограничиться измерением напряжений на различных элементах. Это не так трудно сделать, т.к. ребята уже измеряли силу тока в различных точках цепи. Теперь вполне логично попытаться измерить и напряжение на различных участках. Но сначала надо четко сформулировать правила измерения напряжения на участке при помощи вольтметра. Эти правила формулируются самими учащимися в дискуссии, а, возможно, и споре. Учитель помогает прийти к правильному решению. Правила записываются и тут же “отрабатываются” в ходе измерений на собственных столах. Новым для ребят в этой работе является и тот факт, что напряжение на проводнике и включенном ключе равно нулю. Становится ясным, почему некоторые проводники называют “резисторами”, а другие – нет. В результате проводятся 3–5 измерений напряжения, после чего большинство учащихся догадывается, что напряжение на источнике тока равно сумме напряжений на отдельных участках последовательной цепи.

Этот эксперимент дает также хороший повод решить вопрос о погрешности результата суммирования напряжений. После этого каждый ученик рассчитывает погрешность и сравнивает два числа с учетом погрешности.

Необычная ситуация, когда последовательное соединение изучается раньше, чем закон Ома оправдывает себя многократно. Во-первых, отрабатываются умения измерения электрических величин. Во-вторых, создается возможность “открыть” закон Ома прямо на ученических столах без использования реостата, что очень важно, так как знакомство с реостатом по программе идет позже закона Ома. Ну, и, наконец, независимо от порядка изучения материала, эти работы дают учащимся возможность понять, для чего нужен учет погрешности измерения. В 9-м классе, где они должны знакомиться с погрешности, таких простых по исполнению работ уже не будет.

После этого урока можно потренироваться в решении качественных задач на электрическую цепь, последовательное соединение и измерение электрических величин.

Урок 3. Это заключительный урок по решению ПЗ, поставленной на уроке № 1. Теперь учащиеся уже самостоятельно предполагают, что сила тока зависит от напряжения на лампочке и от свойств лампочки. Вам остается только обратить внимание на тот факт, что у нас пока нет ни одной ФВ, характеризующей свойства конкретной лампочки. Так что остается исследовать только зависимость от напряжения. Сразу появляется вопрос: “Как изменять напряжение на лампочке?”. Кто-нибудь из учеников обязательно догадывается: “Надо включить в цепь последовательно несколько элементов, а потом их по очереди отключать, измеряя при этом напряжение на лампе”. Однако, измерения лучше все-таки проводить не на лампе, а на резисторе (спирали), т.к. во-первых, на лампу нельзя подавать большое напряжение, а во-вторых, ее сопротивление меняется в процессе горения.

В ходе эксперимента ученики получают 3–4 значения напряжения и силы тока и строят график. Отмечая на графике погрешности, они получают прямую, проходящую через начало отсчета. Таким образом, учащиеся самостоятельно открывают закон Ома.

Остается только ввести новую ФВ “сопротивление” как коэффициент пропорциональности в законе Ома.

Чтобы не разносить во времени друг от друга изучение последовательного и параллельного соединения, после 1–2 уроков решения задач следует провести урок изучения параллельного соединения.

Урок 4. При проведении этих экспериментов возникает сразу несколько трудностей. Во-первых, возникает вопрос, как собрать цепь с параллельным соединением, ведь на рисунке параллельное соединение выглядит иначе, чем “в жизни”. Я обсуждаю этот вопрос еще при знакомстве с элементами электрической цепи. Я выделяю урок для тренировки вида деятельности “Сборка электрической цепи по схеме”. Но если это не было сделано, то на уроке по изучению параллельного соединения вполне найдется время на то, чтобы разобраться с этим вопросом. Дайте учащимся догадаться, как собрать такую цепь, пусть поделятся своими идеями, а потом помогут тем, кто не смог собрать. Гарантирую, что скучать никто не будет, зато ученики приобретут практические умения, необходимые и в дальнейшей жизни.

После сборки цепи следует обсудить проблему измерения напряжения на каждом участке цепи. Поскольку учащиеся уже знают, что напряжение на проводниках равно нулю, то получается, что напряжение на двух участках, соединенных параллельно, придется мерить … между одними и теми же контактами. Естественно возникает вывод о том, что напряжение на этих участках одинаково. Остается измерить силу тока в различных точках цепи. Сделать это достаточно сложно, но операция эта вызывает большой интерес.

После этого урока можно обобщить весь материал по параллельному и последовательному соединению проводников. Соотношения для сопротивлений выводятся теоретически, с опорой на экспериментально полученные законы. Остается лишь закрепить полученные знания решением задач.

Урок 5. Решение этой ПЗ проводится в полном соответствии с планом, приведенным в таблице 1. Из выдвигаемых гипотез только одну учащиеся могут проверить в самостоятельном эксперименте – зависимость сопротивления от длины с помощью реохорды. В результате должен получиться график прямой пропорциональности. Однако, отметить погрешности на графике затруднительно для учащихся, они еще не знают, как определить погрешность косвенных измерений. В профильных классах можно попробовать оценить погрешность по методу границ: чтобы получить верхнюю границу сопротивления, надо максимальное значение напряжения (измеренное значение плюс погрешность) поделить на минимально возможное значение силы тока (измеренное значение минус погрешность). Найдя таким же образом нижнюю границу значения сопротивления (минимальное значение), надо найти полуразность верхней и нижней границы. Это и будет погрешность найденного значения сопротивления. В классах общеобразовательного уровня следует просто вспомнить, как, отмечая погрешность, можно провести прямую через экспериментальные точки, которые не лежат в точности на прямой, и “догадаться”, что, возможно, и в этом случае оценка погрешности измерений привела бы к получению прямо пропорциональной зависимости.

В целом, при таком подходе изучение законов постоянного тока занимает 9–10 уроков. Одним из результатов этого подхода является хорошее понимание учащимися процессов, происходящих в цепи.

Таким образом, приведенная здесь система познавательных задач позволяет учащимся самим открыть все законы постоянного тока, а учителю – сделать уроки интересными для учеников, развить не только их интерес к физике, но и желание проявить свое творчество.

Литература

1. С.В. Анофрикова, Г.П. Стефанова.Практическая методика преподавания физики. Часть первая. – Астрахань: Изд–во Астраханского пед. ин–та, 1995.
2. Попова О.Н. Обучение учащихся выявлению устойчивых связей и отношений между физическими величинами. Методическое пособие для учителей физики. – Элиста: Элистинский Лицей, 1998.
3. Анофрикова С.В. Азбука учительской деятельности, иллюстрированная примерами деятельности учителя физики. Часть 1. Разработка уроков. – М.: МПГУ, 2001.
4. Одинцова Н.И. Обучение теоретическим методам познания на уроках физики. – М.: Прометей, 2002.