Формирование физических понятий на основе методологии физики

Согласно Государственному образовательному стандарту начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования основными целями обучения физике являются:

• усвоение основ физики как фундаментальной науки;
• формирование физической картины мира;
• усвоение основ физики как прикладной науки.

Каждая из перечисленных выше целей обучения достигается в процессе преподавания физики, результатом которого является сформированная у учащихся система физических понятий.

В современной гуманистической образовательной парадигме сущность образовательного процесса состоит в развитии обучающихся, в формировании их способностей осмысливать, субъективизировать действительность. Это возможно в рамках личностно-ориентированного образования, которое, на наш взгляд, можно реализовать, используя методологический подход к формированию физических понятий, который позволяет:

• учитывать личностные особенности учащихся;
• развивать логическое и творческое мышление учащихся;
• активизировать самостоятельную познавательную деятельность учащихся;
• вырабатывать у учащихся умения и навыки выполнения таких операций, как анализ, синтез, сравнение, сопоставление, классификация, абстрагирование и обобщение;
• учитывать возрастные особенности учащихся.

Данный подход осуществляется на основе методологии физики в концепции эволюции физической картины мира, при этом происходит пошаговое формирование физических понятий, которое представлено в виде схемы, изображенной на рисунке 1 (см. Приложение).

При формировании физических понятий по схеме, изображенной на рисунке 1, не всегда удается использовать все шаги. Необходимость применения того или иного шага зависит от возрастных и личностных особенностей учащихся, а также от специфики изучаемого понятия. Некоторые шаги схемы (шаги 4, 6, 9, 10, 11) целесообразно использовать для организации самостоятельной работы учащихся.

Рассмотрим методику пошагового формирования физических понятий.

Шаг 1. Для получения учащимися первоначального представления о физическом понятии на уроках физики используются:

• демонстрации физических явлений, в которых отражено это понятие;
• выполнение фронтальных лабораторных опытов, иллюстрирующих изучаемое понятие;
• рассмотрение примеров из жизни, отражающих смысл изучаемого понятия.

Шаг 2. Определение физического понятия.

В зависимости от особенностей изучаемого понятия учитель дает учащимся его словесное определение (формулировку), рассматривает физический смысл или описывает математическую модель понятия.

Шаг 3. Построение математической конструкции изучаемого понятия предполагает запись математической модели рассматриваемого понятия в символьной форме и изучение единиц измерения понятия.

Шаг 4. Для повышения эффективности формирования физических понятий целесообразно

показывать становление понятия, историю его развития и техническое применение.

Шаг 5. Выделяются внутрипредметные и межпредметные связи. При обучении физике одно и то же понятие изучается в разных разделах. Использование при формировании физических понятий внутрипредметных связей позволяет учителю углублять содержание понятия, опираясь на ранее изученный материал. Применение межпредметных связей способствует внедрению в физику знаний из других наук, что расширяет кругозор учащихся.

Шаг 6. Практическое применение изучаемого понятия позволяет учащимся применить полученные знания об изучаемом понятии на практике: в процессе решения физических задач как качественных, так и количественных, выполнения фронтальных лабораторных работ и опытов, иллюстрирующих физические явления, в которых представлено рассматриваемое понятие.

Шаг 7. Рассматривая физическое понятие, для более полного понимания физической сущности понятия, необходимо определить границы его применимости.

Шаг 8. Методологический анализ содержания физического понятия предполагает выделение его философского, общенаучного и конкретно-научного содержания.

Философское содержание понятия является высшим уровнем абстрагирования и всеобщности.

Общенаучное содержание понятия выражает моменты единства, тождества, связи объективной реальности и процесса ее познания, фиксируя общие, инвариантные их черты, свойства, тенденции для всеобщего круга отраслей научного знания.

Конкретно-научное содержание понятия характеризуется непосредственной генетической и предметно-содержательной связью с данной областью знания. Физическое содержание научных понятий связано с измеримостью характеристик и свойств объектов исследования.

Наличие того или иного содержания понятий зависит от их степени общности.

Шаг 9. Овладение понятием связано с активной мыслительной деятельностью учащихся, следовательно, работая с понятиями нужно научить учащихся систематизировать полученные знания. Одним из способов реализации методологического подхода к формированию физических понятий является использование на занятиях систематизирующих таблиц и схем, в которых физическое понятие рассматривается более полно. Систематизация содержания физических понятий осуществляется при проведении физического практикума в старших классах средней школы.

Шаг 10. В процессе формирования физических понятий необходимо обобщать полученные знания. Реализовать обобщение полученных знаний на уроках физики можно, используя обобщающие таблицы и схемы, в которых физические понятия рассматриваются в концепции эволюции физической картины мира. Конечной целью этого шага при формировании физических понятий является раскрытие, систематизация и обобщение закономерностей и свойств изучаемого понятия.

Шаг 11. Рефлексия позволяет помочь учащимся проанализировать все предыдущие действия при формировании физических понятий и осознать результат выполненных действий, определить и сравнить изучаемое понятие с другими, насколько оно трудно в усвоении, какие трудности у них возникли в процессе изучения. Учащимся предлагается ответить на следующие вопросы (эти вопросы предварительно под запись даются учащимся на вводном занятии).

1. Что было выполнено?
2. Как выполнялось?
3. Какие трудности возникли при изучении понятия?
4. Почему?
5. Что удалось лучше всего?
6. Почему именно это удалось лучше?

Для примера рассмотрим использование методологического подхода к формированию понятия “Плотность” в 7-ом классе средней школы.

Шаг 1. При изучении понятия плотности веществ можно начать со следующей вступительной беседы.

Учитель: Одинаково ли погружается тело в воду во время купания в море и в озере?

Ученик: Нет, тело сильнее погружается в озере.

Учитель: Как вы думаете, почему?

Ученик: Потому что в море вода соленая.

Учитель: Да, действительно в соленой воде плавать легче. Как вы думаете, почему?

Ученик: Наверное, какие-то характеристики этих жидкостей различны.

Учитель: Все вещества характеризуются плотностью.

Далее учащимися выполняется фронтальный лабораторный опыт: учащимся раздаются по два цилиндра одинакового объема, но разной массы. Взвесив цилиндры, учащиеся приходят к выводу, что эти два цилиндра изготовлены из разных веществ, следовательно, имеют различную плотность.

Затем проводится демонстрация: демонстрируются два кубика равной массы, но разного объема. Если взять кубики из железа и пробки массой по 1 кг, то объем железного куба равен 0,00013 м³, а пробкового – 0,0042 м³. Следовательно, можно сделать вывод, что плотности этих веществ разные.

Шаг 2. Дается определение плотности: плотность – это физическая величина, численно равная отношению массы тела к его объему.

Физический смысл этого понятия заключается в том, что плотность вещества показывает массу одного м³ данного вещества.

Шаг 3. Математической конструкцией данного понятия является формула для вычисления плотности вещества (рис. 2).

Рисунок 2.

Формула для расчета и единица измерения плотности.

- единица измерения плотности

Шаг 4. Учащимся предлагается подготовить рефераты или доклады о техническом применении данного понятия. Например, учащиеся могут раскрыть устройство и принцип действия приборов предназначенных для измерения плотности веществ.

Плотномер - это прибор для непрерывного (или периодического) измерения плотности веществ в процессе их производства или переработки, устанавливается непосредственно в производственных агрегатах или технологических линиях. По принципу действия плотномеры делятся на следующие основные группы: поплавковые, весовые, гидростатические, радиоизотопные, вибрационные, ультразвуковые. Поплавковые плотномеры бывают с плавающим поплавком (представляют собой ареометр постоянной массы) или с погруженным поплавком (ареометр постоянного объёма).

Ареометр - прибор, в виде стеклянного поплавка с делениями и грузом внизу, предназначенный для измерения плотности жидкостей и твердых тел. Принцип действия ареометра основан на законе Архимеда.

Различают:

• ареометры постоянного веса, в которых глубина погружения ареометра обратна плотности жидкости;
• ареометры постоянного объема, в которых плотность определяется по массе гирь, снятых или добавленных для погружения ареометра до метки, указывающей объем вытесненной жидкости.

Шаг 5. Внутрипредметные связи данного понятия:

• понятие плотности связано с понятием массы тела и понятием объема тела;
• понятие плотность используется при изучении тепловых явлений в 8-ом классе, в разделе “Механика” в 7-ом, 9-ом классах, в разделе “Молекулярная физика и термодинамика” в 10-ом классе;
• в 10-ом классе в курсе электродинамики используется понятие плотность тока, плотность заряда.

При изучении этого понятия необходимо реализовать и межпредметные связи. Это связь с естествознанием и природоведением, здесь рассматриваются плотности жидкостей и твердых тел. В химии рассматривается плотность веществ, а в географии – плотность населения.

Шаг 6. Учащиеся решают задачу №.1.

Чтобы получить латунь, сплавили куски меди массой 178 кг и цинка массой 355 кг. Какой плотности была получена латунь?

Решение задачи № 1 представлено на рисунке 3.

Рисунок 3. Решение задачи №3.

Домашний физический эксперимент: каждому ученику предлагается определить среднюю плотность человеческого тела. Свою массу можно определить на весах. Воспользовавшись легендой об Архимеде можно достаточно просто определить объем своего тела (погрузившись полностью в ванну, человек вытеснит по объему воды ровно столько, каков объем его тела). Объем своего тела можно определить следующим образом: надо отметить уровень воды в ванне до и после погружения. Определить объем воды между этими двумя уровнями можно, посчитав сколько литровых банок воды необходимо вылить в ванну, чтобы вода поднялась от первого уровня до второго. Затем, воспользовавшись формулой для расчета плотности, каждый ученик высчитывает плотность своего тела.

В классе необходимо обсудить результаты домашнего эксперимента и учащиеся должны сделать вывод: средние плотности всех человеческих тел приблизительно одинаковы и немного больше плотности воды.

Шаг 7. Понятие “Плотность” используется для макромира и мегамира.

Шаг 8. Содержание понятия “Плотность” представлено в таблице 1.

Таблица 1.

Содержание понятия “Плотность”

Общенаучное	Конкретно-научное
Показывает количество чего–либо в единице чего–либо.	Величина, определяемая для однородного вещества массой единицы его объема.

Шаг 9. Учащиеся работают с таблицами плотностей в учебнике Перышкина А. В. “Физика -7”, стр. 50-51 и им предлагается ответить на следующие вопросы:

1. Что такое плотность?
2. В каких единицах измеряется плотность?
3. Какова плотность меди?
4. Что это означает?
5. Назовите вещество с наименьшей плотностью.
6. Чему она равна?
7. Что это означает?
8. Назовите вещество с наибольшей плотностью.
9. Чему она равна?
10. Что это означает?

Учащимся предлагается заполнить систематизирующую таблицу 2 по теме “Плотность”.

Таблица 2.

Систематизирующая таблица по теме “Плотность”

В этой таблице учащиеся должны заполнить пустые графы.

Для систематизации знаний учащихся с ними целесообразно построить схему, изображенную на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема систематизации знаний учащихся по теме "Плотность".

Шаг 10. Учащимися выполняется лабораторная работа по теме “Определение плотности вещества, из которого изготовлено твердое тело” (стр.164,165 в учебнике Перышкина А.В. “Физика - 7”).

Решается задача №2: за каждые 15 вдохов, которые делает человек в 1 мин, в его легкие поступает воздух объемом 600 см³. Вычислить объем и массу воздуха, проходящего через легкие человека за 1 час.

Решение задачи № 2 приведено на рисунке 5.

Рисунок 5. Решение задачи №2.

Шаг 11. Рефлексия осуществляется по вопросам, приведенным ранее.

Таким образом, методологический подход к формированию физических понятий способствует:

• развитию личностных качеств учащихся;
• формированию научного мышления учащихся;
• формированию современного научного мировоззрения учащихся;
• формированию глубоких и прочных знания учащихся;
• совершенствованию педагогического мастерства учителя.