Формирование и развитие самостоятельной экспериментальной деятельности учащихся как способ повышения качества образования

“Опыт ценнее тысячи мнений,
рожденных воображением”.

М. В. Ломоносов

“Опыт - верховный судья теории”

Л. Д. Ландау

Введение в урок проблемного эксперимента.

Цель – создать условия для формирования и развития навыков самостоятельной деятельности, для развития творческого рационального мышления, для формирования и развития умений и навыков исследовательской деятельности.

Проблемный эксперимент может применяться как при изучении нового, так и при повторении и закреплении пройденного материала.

Содержанием проблемного эксперимента являются:

а) изучение явлений;

б) изучение причинно-следственных связей между явлениями и функциональной зависимости между величинами, характеризующими явления и свойства тел (например, зависимость температуры кипения от давления);

в) изучение и сравнение свойств вещества в различных состояниях (например, упругости, пластичности) и свойств физических полей (например, движение тел в поле тяготения);

г) иллюстрация законов, сформулированных на основе опытов или в результате логических умозаключений, опирающихся общетеоретические положения или метод индукций;

д) определение констант (например, электрохимического эквивалента);

е) изучение и испытание приборов (например, фотореле; генератора эмв).

Условия успешности проблемного эксперимента:

1. достаточный общий уровень подготовленности учащихся данного класса;

2. достаточный уровень усвоения учащимися тех вопросов, знание которых необходимо для выполнения работы;

3. достаточный уровень практических умений и навыков;

4. достаточный уровень освоения учащимися класса проблемной формы проведения эксперимента.

Пример. При изучении темы “Сила трения” (7, 10 класс) учеником предлагается провести эксперимент.

Положите сначала на дерево, затем на стекло деревянный брусок и с помощью динамометра определите силу трения скольжения в каждом случае. Смазать водой поверхность стекла и бруска. Как изменилась сила трения скольжения? Почему? Обсудите результаты опыта в группах.

• Анализ. Показания динамометра увеличиваются при смазывании стекла и бруска водой, значит, сила трения скольжения увеличивается.
• Противоречие. Смазка должна уменьшить силу трения.
• Гипотеза: Увеличение силы трения скольжения не связано с качеством взаимодействующих поверхностей. Здесь проявляются другие силы.
• Доказательство: В результате смазки промежутки между шероховатостями уменьшаются, вступают во взаимодействие молекулы стекла – воды – бруска. Силы межмолекулярного взаимодействия велики. Поэтому показания динамометра увеличиваются.
• Вывод: для уменьшения силы трения нельзя до бесконечности полировать поверхности. Это может привести к обратному эффекту. Для уменьшения силы трения между полированными поверхностями не рекомендуется использовать смазку. Это приведет к увеличению силы трения.
• Структуру деятельности по проведению эксперимента можно представить следующим образом:

1. самостоятельное формулирование цели опыта;
2. выявление условий, необходимых для постановки опыта;
3. проектирование эксперимента;
4. отбор необходимых приборов и материалов;
5. сборка экспериментальной установки и создание необходимых условий для выполнения опытов;
6. выполнение измерений;
7. проведение наблюдений;
8. фиксирование результатов измерений и наблюдений;
9. математическая обработка результатов измерений;
10. анализ результатов и формулировка выводов.

Исходя из анализа структуры деятельности по выполнению эксперимента, предлагаю учащимся план по выполнению опыта в процессе обучения.

1. Уяснить цели эксперимента.
2. Формулировка и обоснование гипотезы, которую можно положить в основу эксперимента.
3. Выяснение условий, необходимых для достижения поставленной цели эксперимента.
4. Планирование эксперимента, включающего ответ на вопросы:
   1. какие наблюдения надо провести;
   2. какие величины нужно измерить;
   3. какие необходимы приборы и материалы для опыта;
   4. каков ход опытов и последовательного их выполнения;
   5. какую форму записи результатов эксперимента выбрать.
5. Отбор необходимого оборудования.
6. Сборка установки, электрической цепи.
7. Проведение опыта, сопровождаемое наблюдениями, измерениями, записью их результатов.
8. Математическая обработка результатов измерений.
9. Анализ полученных результатов, формулировка выводов (в словесной, знаковой или графической форме).

Формирование и развитие навыков самостоятельной экспериментальной деятельности.

Формирование и развитие навыков самостоятельной и экспериментальной деятельности провожу поэтапно.

I этап (7-8 класс).

Цель: формирование первичных умений проведения эксперимента, составления плана действий, оформления результатов опытов.

1. Изучение индивидуальных возможностей учащихся класса.

2. Организация проблемного эксперимента: учащиеся выполняют одинаковые задания, учитель помогает отстающим. Задания несложные, небольшие по объему.

3. Анализ полученных результатов: обсуждается одна задача, над которой работал весь класс.

4. Постепенное усложнение заданий: дифференцированные задания или задания, которые выбирают сами ученики, выбор самими учащимися приборов и материалов. Задания по выбору применяют при повторении и закреплении пройденного материала.

Пример. Тема: “Измерение линейных размеров и объемов тел”

1. Учащимся предлагается не только необходимые приборы, но и “лишние”. Например, линейка с миллиметровыми делениями; дощечка; секундомер; мерный сосуд; мензурка; стакан.

2. Задание. Измерить объем воды в банке и длину стола. Составить и записать последовательность действий при измерении.

3. Работа ведется по группам, которые создаются на основе диагностики школьным психологом и наблюдений. В группах есть ученики с разной степенью обученности. . Цель – обучение в группах новому виду деятельности с помощью учителя и товарищей (взаимопомощь).

4. Учащиеся справляются с заданием.

5. Учащиеся сообщают результаты измерений, которые фиксируются на доске.

6. Проблема: Измеряли длину одного и того же стола, почему ответы разные? Определяем объем одинакового количества воды в банке, почему ответы разные?

7. Обсуждают, почему значения измерений в группах отличаются?

8. Учащиеся выдвигают предположения для обоснования этих различий. Гипотеза: разный глазомер у людей, неточно нанесены деления на измерительных инструментах и оборудовании и т. д.

9. Возникает идея перемерить длину и объем, чтобы выявить ошибки.

10. Предлагаю для их устранения обсудить алгоритмы измерений, подводя учащихся к пониманию процесса измерений как сравнения измеряемой величины с эталоном, к понятиям точности и погрешности измерений.

Совместно вырабатывается алгоритм измерений:

1. выбор измерительного прибора;
2. определение пределов измерения и цены деления прибора;
3. соотнесение измеряемой величины с эталоном, запись результата;
4. повторение измерений несколько раз, определение среднего значения измеряемой величины;
5. анализ точности измерений, определение погрешности.

Результат: большинство учащихся правильно самостоятельно выполняют измерения, наблюдения, систематизацию и немного хуже – сравнение.

II этап (8-9 класс).

Цель: формирование умения решать проблемы на основе самостоятельного планирования эксперимента и работы с гипотезами; обучение самооценке: (оценить свой вклад в совместную деятельность по решению проблем); освоение логических действий (систематизация, анализ, синтез).

1. Учащиеся работают группами, где планируют:

а) эксперимент для проверки гипотезы;

б) теоретическое обоснование гипотезы.

2. В ходе работы отвечают на вопросы таблицы:

3. Работа ведется:

а) с помощью инструкций, алгоритмов действий, с помощью учителя;

б) с частичной помощью учителя:

в) полностью самостоятельно.

4. Для работы с полной нагрузкой планирую дополнительные задания, которые раскрывали бы новые стороны в исследуемом явлении.

Пример 1. Тема: “Архимедова сила”, 7 класс.

• Основное задание: Исследуйте зависимость выталкивания силы от объема тела; от плотности жидкости.
• Дополнительное задание:

Исследуйте, зависит ли выталкивающая сила от: плотности тела; формы тела; глубины погружения тела.

Предлагаю 2-3 задачи с заданиями, отделенными во времени с соответствующим теоретическим материалом.

Пример 2. Тема: “Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела и выделяемого им при охлаждении”, 8 класс.

1 шаг. Учащимся предлагается привести примеры, позволяющие выяснить, от чего зависит количество теплоты.

2 шаг. Все приведенные факты фиксируются на доске.

3 шаг. Подводим учащихся к тому, что данная зависимость может выглядеть следующим образом: Q = cm (t₂ - t₁ )

4 шаг. Обоснование этой зависимости:

а) ученики предлагают теоретический способ на основе МКТ.

б) ученики предлагают эксперимент как доказательство выдвинутой зависимости;

в) учитель может предложить метод размерности.

При теоретическом обосновании учащиеся предположили, что большая разность температур соответствует большему изменению скоростей молекул и, следовательно, их кинетических энергий, поэтому изменение температуры тела пропорционально передаваемой им энергии. Масса вещества складывается из масс отдельных молекул, чем больше молекул, тем больше количества теплоты надо сообщить ему для увеличения его энергии. Массы отдельных молекул и их количество в данном теле определяются родом вещества, а значит, и необходимое для нагревания количество теплоты зависит от этого фактора.

Группы учащихся, занимавшиеся экспериментальным доказательством, предложили следующее: поставить на электроплитку два одинаковых стаканчика с водой, масса которой в них различается вдвое; снабдить стаканчики термометрами и изучить зависимость изменения температуры воды в стаканчиках от времени нагревания. При этом они полагали, что количество теплоты прямо пропорционально времени. Для доказательства зависимости количества теплоты от рода вещества был взят для сравнения стаканчик с маслом.

После обоснования формулы ученикам предлагается заполнить карты, в которых обозначены различные действия. Свое участие и неучастие в деятельности нужно отметить соответствующим знаком “+” или “-”, а в случае сомнений отметить знаком “?” (карта показана выше).

Подводя итоги, обращаю внимание учащихся на то, что они работали с гипотезой. Сначала на основании фактов выдвинули предположение, потом обосновали предположение, потом обосновали и доказали его справедливость.

Результат: большинство учащихся самостоятельно планируют эксперимент, работают с гипотезой, верно оценивают свой вклад в совместную деятельность; успешно осваивают логические действия (анализ, синтез, систематизация).

• На II этапе обучения такую работу можно проводить при объяснении нового материала при частичной помощи учителя (или самостоятельно).

III этап (9-11 класс).

Цель: обучение выбору вида деятельности, ее планированию; описанию на научном языке.

1. Предлагаются задания, которые не содержат конкретной направленности. (Например, напишите, от каких, по вашему мнению, причин зависит индукция магнитного поля электромагнита. Проверьте свои предположения на опыте).

2. Учитель помогает (или учащиеся самостоятельно) определяют цель деятельности.

3. Учащиеся планируют свою деятельность.

4. Проводят эксперимент.

5. Наблюдают и фиксируют результаты.

6. Описывают наблюдаемые явление (процесс).

7. Анализируют полученные результаты.

8. Делают выводы.

Пример. Тема: “Равноускоренное движение”, 10 класс.

1. Демонстрируется фотография падения капель стробоскопом.

2. Вопрос; определить вид движения капель.

3. Ответы учащихся: равноускоренное, так как за равные промежутки времени, фиксируемые стробоскопом, пути, проходимые каплями, увеличиваются.

4. Эксперимент. Демонстрируем движение шарика по наклонному желобу.

5. Задание: исследовать вид движения шарика.

6. Действия учащихся:

а) предложили весь путь разделить на несколько равных отрезков и измерить время прохождения шариком;

б) предлагали измерить пути за равные промежутки времени.

В итоге все доказали, что движение шарика по желобу является ускоренным, так как скорость увеличивается, но только в одной группе смогли доказать, что оно равноускоренное.

7. Описание деятельности школьниками:

• разделили желоб на три равных отрезка;
• измерили время прохождения шариком каждого из отрезков пути и т. д.

Фронтальное обсуждение деятельности. Выделение цели, способа деятельности, вывод.

Результат: приобретается навык самостоятельного проведения экспериментальных исследований.

Введение проблемного эксперимента в домашнее задание.

Цель: создать условие для развития творческого мышления, способности к изобретательству, самостоятельной исследовательской работе, для формирования экспериментальных умений и навыков.

Большую роль в развитии познавательной деятельности играют проблемные домашние задания. Домашние опыты и наблюдения приучают учащихся к исследовательской работе, рождают творческую мысль и развивают способности к изобретательству, вырабатывают у них наблюдательность, внимание, настойчивость, аккуратность.

На уроке ввиду ограниченности времени редко возникает возможность предложить учащимся сложные проблемные задания. Кроме того, не все виды таких заданий могут быть использованы на уроке, например, задания на конструирование, изготовление приборов, постановку опытов, требующих длительного наблюдения.

Надлежащий развивающий эффект проблемные задания дают лишь при выполнении следующих условий: 1. системность; 2. рациональная дозировка; 3. учет индивидуальных особенностей учащихся; 4. дифференцированный подход при предъявлении творческих заданий.

Методами диагностики интересов и творческих способностей учащихся к физике являются следующие:

1. Вводные общеклассные (обязательные) проблемные задания двухосновных типов: конструкторские и исследовательские. Они дают первое общее представление о творческих возможностях отдельных учащихся;

2. Задания для желающих. Они позволяют уточнить первоначальные представления об учащихся;

3. Индивидуальные беседы с учащимися с целью выявления их общего кругозора, эрудиции, направленности интересов и т. д. для уточнения первых впечатлений об учащихся.

Домашние проблемные задания открывают возможности для школьников

проявить свои индивидуальные особенности. Они полезны не только для сильных и средних учеников, но и для слабых.

Исходя из этого, я делю учеников на три группы, выдвигая при этом цели в работе с каждой группой.

Группа учащихся	Цель	Предложенные домашние задания
1. Слабые, не проявляющие интереса к физике, к творческим работам.	Пробуждение первоначального интереса и веры в свои силы.	Задания интересные, но не сложные (особый тактичный контроль учителя).
2. Успевающие по физике, но не проявляющие особого интереса к ней и к творческим заданиям.	1. Выяснение причины отсутствия интереса; 2. Изучение индивидуальных особенностей и склонностей учащихся.	Задания по желанию (помощь учителя).
3. Ученики с явным интересом к творческой работе.	1. Развитие способностей учащихся. 2. Определение направленности интересов. 3. Индивидуальная работа.	Творческие задания, выполняемые с Частичной помощью учителя или полностью самостоятельно.

Мотивом для выполнения опытов и наблюдений в домашних условиях у подростков можно считать потребность получить ответ на вопрос не из учебника, а из жизненного опыта, наблюдений за окружающей действительностью, из результатов собственных экспериментов.

Дидактическая цель применения домашних опытов и наблюдений заключается в повышении качества обучения учащихся, их подготовки к труду, в развитии творческих способностей.

Домашний эксперимент способствует реализации основных функций.

1. Обучающая функция домашних опытов и наблюдений проявляется в том, что они служат средством приобретений новых знаний; содействуют более глубокому пониманию учащимися физических явлений, процессов, теорий; способствуют приобретению умений и навыков в обращении с приборами, измерительными инструментами, таблицами; позволяют формировать умение в составлении плана проведения наблюдений и опытов; развивают навыки измерения физических величин и анализа их взаимосвязи; служат средством практического ознакомления учащихся с наблюдением и экспериментом как методами научного познания.

2. Развивающая функция заключается в том, что домашний эксперимент вызывает у учащихся интерес к физике, технике, развивает способности к изобретательству и техническому творчеству.

3. Воспитательная функция домашнего эксперимента позволяет развивать внимательность, наблюдательность, аккуратность, настойчивость в работе, самостоятельность и целенаправленность.

4. Повторительно - закрепляющая функция домашних опытов и наблюдений состоит в том, что они являются средством повторения и закрепления ранее полученных знаний, умений и навыков.

5. Контролирующая функция состоит в том, что позволяет учителю судить о качестве усвоения знаний учащихся и уровне сформированности умений применять их на практике, о развитии познавательных интересов и их творческих способностей.

В своей работе приступаю к систематическому проведению домашних экспериментальных заданий поэтапно: с 7 класса включаю интересные и простые опыты и наблюдения, а с переходом учащихся в старшие классы начинаю постепенно включать задания более сложные, с более глубоким уровнем проблемности.

1 этап (7-8 класс). Ознакомление учащихся со структурой и правилами выполнения домашних экспериментальных заданий: объяснение порядка выполнения, правил записи результатов измерений и наблюдений, обращение внимания на цель эксперимента или наблюдения, её формулировку, выводы, полученные из опытов, их контроль. Учитель даёт подробный устный инструктаж, показывает приёмы выполнения отдельных действий и операций, предлагает алгоритм проведения эксперимента (Приложение1).

2 этап (8-9 класс). По мере развития у учащихся экспериментальных умений устное инструктирование сокращается и в дальнейшем прекращается. При этом можно ограничиться четкой формулировкой задания.

3 этап (10-11 класс). Получив навыки самостоятельного экспериментирования, учащиеся могут более активно участвовать в планировании проведения опытов. На этом этапе достаточно поставить перед учащимися учебную задачу, а пути её решения они находят самостоятельно.

Домашние экспериментальные задания проводятся для закрепления и повторения изученного на уроке материала, данные для которых учащиеся получают из опытов и измерений.

Пример 1. Тема: “ Физические величины и их измерения” (7 класс).

Задание 1. Определить площадь пола в комнате.

Задание 2. Определить объем обувной коробки. Выразить результат в квадратных метрах.

Пример 2. Тема: “Работа и мощность” (7 класс).

Задание. Вычислить работу при подъеме человека по лестнице со 2 этажа дома на 3 этаж. Какую при этом он развивает мощность?

Оборудование: линейка, секундомер.

Пример 3. Тема: “ Плотность” (7 класс).

Задание 1. Определить плотность куска хозяйственного мыла (для всех).

Задание 2. Определить плотность картофеля (по желанию).

Задание 3. Определить плотность человеческого тела (для третьей группы учащихся).

Задание 4. Опыт “Слоеная жидкость” (для желающих).

Оборудование: вода, растительное масло, прозрачный контейнер с крышкой, пробка, несколько замороженных горошин.

Ход работы:

1. Налить немного масла в прозрачный контейнер. Добавить воды. Понаблюдайте, что произойдет.

2. Накройте контейнер крышкой, сильно встряхните. Поставьте и снова понаблюдайте за происходящим.

3. Откройте контейнер и положите в него пробку и горошины. Где будут находиться пробка и горошины?

4. Сделайте вывод о плотности веществ.

(Ученица в эксперименте вместо гороха использовала перец горшком. Результат получила аналогичный).

Задание 5. Изготовить ареометр, используя пластмассовую соломинку для питья, водостойкий фломастер, воду, соль, пластилин, стаканы, ложку.

Для выполнения домашнего эксперимента предлагается 1-2 недели, или больше, в зависимости от трудоемкости, времени выполнения опыта. Обязательно держу под контролем в этот промежуток времени выполнение работы. Ребята подходят на консультацию, за советом, делятся своими наблюдениями.

Этапы работы после проведения домашнего эксперимента:

1. Пересказ содержания опыта с указанием цели эксперимента;

2. Сообщение результатов опытов и их обсуждение;

3. Корректировка полученных результатов и направление на формулировку правильных выводов.

Особенностью домашних опытов является отсутствие специального оборудования и приборов. Необходимые предметы и материалы, как правило, имеются у каждого школьника. Некоторые приборы учащиеся изготовляют сами или при помощи взрослых. Изготовление самодельных приборов – средство осязательного и пытливого изучения физики.

Пример 1. Тема “ Сообщающиеся сосуды” (7 класс)

Изготовление сообщающихся сосудов из одноразовых шприцов, соединенных прозрачной трубкой от использованной капельницы с целью изучения законов сообщающихся сосудов для жидкостей разной плотности.

Пример 2. Тема “Оптика” (8 класс)

А) Изготовление камеры - обскура с целью изучения полученного изображения.

Б) Эксперимент “ Заставь цвета исчезнуть”

Оборудование: белый картон, ножницы, карандаш, циркуль, краски.

Ход работы:

1. Нарисуй на картоне круг, вырежи его и раздели на 6 равных частей. 2. Раскрась секторы: красным, оранжевым, желтым, зеленым, синим, фиолетовым цветом – в таком порядке. 3. Проткни центр круга остро отточенным карандашом, чтобы получился волчок. Раскрути его. 4. Какого цвета стал круг? Объясни увиденное.

Пример3. Тема: “ Работа электрического тока” (9 класс).

Измерение работы электрического тока (при помощи электросчетчика). Подсчет стоимости электроэнергии за определенное время.

Результат: овладение навыками самостоятельной исследовательской деятельности, совершенствование исследовательских умений, развитие творческого мышления и способностей к изобретательству.

Литература

1. Бобров А. А. , Усова А. В. Формирование у учащихся учебных умений на уроках физики. - М. :1988. -178 с.

2. Данюшенков В. С. ,Коршунова О. В. Домашний эксперимент по физике в условиях развивающего обучения: Учебное пособие. – Киров: Издательство ВГПУ, 2000. – 112 с.

3. Зверева Н. М. Активизация мышления учащихся на уроках физики. - М. : Просвещение, 1980. – 112 с.

4. Караваев А. И. Управление познавательной деятельностью: методологические ориентировки по физике. Под ред. Проф. Ю. А. Саурова. Киров, 1999 – 31с.

5. Малафеев Р. И. Проблемное обучение физике в средней школе. – М. : Просвещение, 1993. – 192 с.

6. Шамова Т. И. Активизация учения школьников. М. : Знание 1979. – 96 с.