Основные черты экспериментального метода исследования

Наряду с научным физическим экспериментом широкое применение получил так называемый учебный физический эксперимент.

Учебный эксперимент – это воспроизведение с помощью специальных приборов физического явления (реже – использования его на практике) на уроке в условиях, наиболее удобных для его изучения. Поэтому он служит одновременно источником знаний, методом обучения и видом наглядности.

Общепризнанно, что изложение курса физики в средней школе должно опираться на эксперимент. Это обусловлено тем, что основные этапы формирования физических понятий – наблюдение явления, установление его связей с другими, введение величин его характеризующих, не могут быть эффективными без применения физических опытов. Демонстрация опытов на уроках, показ некоторых из них с помощью кино и телевидения, выполнение лабораторных работ учащимися составляют основу экспериментального метода обучения физике в школе.

Будучи средством познавательной информации, учебный эксперимент одновременно является и главным средством наглядности при изучении физики; он позволяет наиболее успешно и эффективно формировать у школьников конкретные образы, адекватно отражающие в их сознании реально существующие физические явления, процессы и законы, их объединяющие.

Правильно организованный школьный физический эксперимент также служит отличным средством воспитания таких черт характера личности, как настойчивость в достижении поставленной цели, тщательность в получении фактов, аккуратность в работе, умение наблюдать и выделять в рассматриваемых явлениях их существенные признаки.

Чтобы дать учащимся глубокие и прочные знания, сформировать у них важные практические умения и навыки, необходима координация в применении различных видов учебного эксперимента.

Система учебного эксперимента по физике включает следующие виды:

1. Демонстрационные опыты (демонстрационный эксперимент). Их постановка требует высокого экспериментального мастерства, связанного с использованием различного оборудования. Важное значение имеют демонстрации опытов, иллюстрирующих объяснение учителя. Такие демонстрации имеют высокую педагогическую эффективность, поскольку учитель руководит наблюдением школьников и обращает их внимание на важные для понимания сущности явления обстоятельства.
2. Фронтальные лабораторные работы, опыты и наблюдения. В этом виде эксперимента работы выполняются всеми учениками класса (звеньями или индивидуально) одновременно на однотипном оборудовании и под руководством учителя (учитель проводит вступительный и текущий устный инструктаж, показывает отдельные приемы работы, выполняет на доске необходимые рисунки и записи, организует обсуждения полученных результатов).
3. Физические практикумы. Ученики выполняют эту работу по завершению учебного года самостоятельно, пользуясь письменными инструкциями, по которым они заранее готовятся к выполнению эксперимента.
4. Внеклассные опыты и наблюдения. К ним относятся простые опыты, выполняемые учащимися дома, и наблюдения, проводимые в повседневном окружении, природе, промышленном и сельскохозяйственном производстве без непосредственного контроля учителя за ходом наблюдения. Для экспериментальных работ подобного рода учащиеся используют предметы домашнего обихода и подручные материалы, самодельные приборы, игрушечные наборы, “конструкторы”.

Приведённая классификация школьного физического эксперимента наиболее общая и распространённая, она даёт возможность рассмотреть его с точки зрения методов обучения, правильно определить место каждого из его видов в системе учебных занятий по физике, рационально подобрать учебное оборудование. Вместе с тем допустимы и целесообразны в отдельных случаях другие способы классификации. Так, различают количественные и качественные опыты, выделяют экспериментальные задачи и творческие задания, так называемые фундаментальные опыты и демонстрации технических установок.

Усилиями учителей и методистов разработана методика и техника школьного физического эксперимента.

Однако, несмотря на эти успехи, ещё не всё сделано в отношении переработки экспериментального метода исследования.

Следовательно, представляется целесообразным рассмотреть такие вопросы как:

1. каким образом наиболее эффективно “переработать” экспериментальный метод исследования в метод преподавания?
2. как знакомить учащихся с экспериментальным методом исследования?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно прежде всего выяснить, в чем состоит экспериментальный метод исследования.

Рассмотрим несколько примеров экспериментальных исследований, проводящихся на разных этапах развития физики.

В 1820 году датский ученый Эрстед открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. О своем открытии он сообщил другим исследователям. Узнал об этом и Ампер. Открытие Эрстеда заинтересовало его. Он рассуждал так:

“Каждое наэлектризованное тело, не теряя своего электрического знака, возбуждает электричество в проводнике, поднесенном к этому телу на некотором расстоянии. Не оказывает ли такое же действие и электричество, текущее в проводнике и образующее ток? Если так, то подобное действие должен оказывать и магнит…”

Чтобы проверить это, Ампер подвесил на тонкой нити медное кольцо внутри катушки из медной изолированной проволоки, очень близко к ее виткам.

Концы проволоки он соединил с полюсами гальванической батареи. Если, - рассуждал Ампер, - в кольце возникает электрический ток (возбужденный через влияние), то кольцо должно притягиваться или отталкиваться сильным магнитом. Подключив к батарее элементов медную катушку А (рисунок 1.1), Ампер подносил к кольцу магнит Б то одним, то другим полюсом, кольцо оставалось в покое. Не удовлетворившись полученным результатом, Ампер изменил опыт.

Помещая магнит на некотором расстоянии от кольца, он то замыкал, то размыкал электрическую цепь катушки. Оказалось, что “в момент, когда мы сообщаем (соединяем) концы проволоки с батареей. кольцо притягивалось магнитом, смотря по тому, какой перед ним был полюс”.

Окончательно явление электромагнитной индукции было объяснено английским ученым Фарадеем и русским ученым Ленцем, которые также использовали экспериментальный метод.

Рассмотрим еще один пример. В конце прошлого века Столетов А. Г., исследуя фотоэлектрический эффект, обнаружил, что электрические заряды вырываются из металла под действием света в том случае, если облучаемая поверхность металла имеет отрицательный электрический потенциал. На одной из стадий исследования выяснилось, что фототок пропорционален “энергии активных лучей”. Чтобы установить это, был применен “способ прерывистого освещения”.

Большой картонный круг с семью окошками по секторам (причем окошки и промежутки все одинаковой ширины) помещался вертикально между источниками света и освещаемой поверхностью металла и приводился во вращение с разными скоростями. Проводя опыты, Столетов задумался и над вопросами о том, “вызывает ли действие света на металлическую поверхность ряд отдельных электрических толчков, совершаемых с освещением и разделенных промежутками электрического тока или же происходит более или менее непрерывный процесс вырывания зарядов из металла мгновенно или (говоря практически) устанавливается актино-электрический ток (Актин – по-гречески “луч”, в данном случае – луч света) и соответствует ли его величина наличной – современной –силе освещения?”. Для проверки своего предположения Столетов ставит новый опыт (рисунок 1.2)

Три одинаковых по размеру диска он расположил на некотором расстоянии параллельно друг другу.

01Сплошной диск Б – источник электронов Столетов подключил к отрицательному полюсу батареи (через гальванометр Г), а сетчатый – к положительному. Средний диск (на рисунке 1.2 он показан) имел семь отверстий по секторам и мог вращаться вокруг оси. При облучении диска Б электрической дугой А гальванометр показывал появление в цепи электрического тока. При изменении интенсивности освещения в 2, 4, 6 и т. д. раз фототок соответственно увеличивался в 2, 4, 6 и т. д. раз. На основе полученных данных Столетов сделал вывод: “практически говоря, ток появляется и исчезает одновременно с освещением, и, следовательно, при прерывистом освещении ток также прерывистый, с тем же периодом, а сила тока соответствует интенсивности освещения”.

Можно привести еще много подобных примеров из работ Ньютона и Лебедева по исследованию оптических явлений; Кюри и Резерфорда по исследованию атомных явлений и другие работы.

Анализируя каждый из этих примеров, можно убедиться, что исследователи, прежде чем приступить к осуществлению эксперимента, выдвигают то или иное предположение.

К частям экспериментального метода можно отнести: выдвижение предположения, или рабочей гипотезы (первый этап экспериментального исследования).

Затем, после формулирования той или иной рабочей гипотезы, обычно возникает необходимость планирования предстоящего эксперимента, т. е. выбора метода экспериментирования, с помощью которого можно было бы проверить рабочую гипотезу.

Следовательно, выбор метода экспериментирования является второй частью экспериментального метода.

Вслед за этим исследователи осуществляют эксперимент, повторяя его постановку до тех пор, пока не подтверждается или опровергается рабочая гипотеза.

После постановки эксперимента идет обработка полученных данных. Причем результат обработки данных иногда дает не только подтверждение или опровержение ранее принятой рабочей гипотезы, но и, например, может дать точную количественную зависимость между физическими величинами (закон Бойля-Мариотта, закон Ома и др.). Во всех случаях можно сделать соответствующие научные выводы.

Наряду с достоверными выводами, на этом этапе нередко формулируются еще вероятные выводы, представляющие собой новые рабочие гипотезы. Это опять приводит к использованию каждого из этапов экспериментального исследования вновь.

Таким образом, экспериментальный процесс состоит из следующих частей, представленных схемой.

Эти составные части присущи всякому экспериментальному исследованию, и эти части находятся в органическом единстве.

Литература:

1. Ландау Л.Д., Китайгородский А.И. Физика для всех. – М: Наука, 1974.
2. Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физике. Электричество и магнетизм. – М: Просвещение,1980.
3. Шахмаев Н.М. Изучение магнитного поля в курсе физики средней школы. – М, 1960.
4. Ган К. Методика преподавания физики в средней школе. Пособие для учителя. – М-Л, 1985.
5. Б.М. Методика преподавания физики в средней школе т 3. – М, 1961.
6. Шахмаев Н.М., Каменецкий С.Е. Демонстрационные опыты по электричеству. Пособие для учителя. – М: УЧПЕДГИЗ, 1963.