«Час работы научит больше, чем день объяснений.»
Руссо
Решение задач по физике – необходимый элемент учебной работы. Этот вид учебной деятельности способствует более глубокому и прочному усвоению физических законов, развитию логического мышления, сообразительности, воли и настойчивости к достижению поставленной цели, помогают приобретению навыков самостоятельности в суждениях. Задачи имеют большое значение для конкретизации знаний учащихся, для формирования умения применять физические закономерности к явлениям, протекающих в тех или иных конкретных условиях, что вызывает интерес к науке. Без такой конкретизации знаний остаются книжными, не имеющими практической ценности. Решение задач – это один из методов познания взаимосвязи законов природы [2,c.101].
Но решение задач традиционно считается трудной деятельностью для учащихся, многие боятся за них даже браться. Роль учителя в такой ситуации - так мотивировать учащихся и организовать их деятельность, чтобы решение задачи стало их потребностью. Для этого нужно не только объяснить явления, разучить законы, но и подобрать такие задачи, которые бы вызвали наибольший интерес, были бы одновременно и достаточно понятны и трудны для учащихся, т.е. принесли бы наибольшую пользу в изучении материала и оказывали бы наибольший развивающий эффект. Организация обучения по задачному принципу требует ответа на следующие вопросы: «По каким правилам отбирать задачи для работы с учащимися? Какую пользу принесет ли та или иная конкретная задача? В каком порядке решать выбранные задачи?
Поскольку успешность обучения, в том числе его развивающие эффекты, зависят не столько от внешней активности учащихся, сколько от активности их психической деятельности, в качестве основы для организации обучения по задачному принципу можно взять работу над типовыми познавательными затруднениями учащихся. Учебные физические задачи в таком случае будут выступать как инструмент и для обнаружения познавательного затруднения, и для его устранения [1,c.23].
Продемонстрируем некоторые познавательные затруднения на примере изучения темы «Постоянный электрический ток». Одним из важных умений, формируемых при изучении этой темы, но традиционно вызывающим затруднения учащихся, является умение применять закон Ома для однородного участка электрической цепи для расчета распределения токов и напряжений на участках со смешанным соединением проводников [3,c.94].
Это умение комплексное, в его состав входят умения распознавать вид соединения, построение эквивалентной схемы и расчет общего сопротивления участка цепи. Рассмотрим конкретные примеры.
Пример: Рассчитайте общее сопротивление цепи, если R1 = 1 Ом, R3 = 2 Ом, R3 = 3 Ом?
Как правило, решение такой задачи не вызывает затруднений у учащихся. Практически все быстро определяют, что проводники R1 и R2 соединены последовательно между собой, а резистор R3 подключен параллельно им. Но здесь важно научить учащихся обосновывать свою точку зрения, опираясь на физические закономерности. В данном случае такими закономерностями являются условие протекания тока на участке цепи и признак параллельности соединения – одинаковый ток в соединенных проводниках. Это необходимо для выработки следующего умения – построения эквивалентной схемы, так как критерием эквивалентности схем и цепей является одинаковость токов в одинаковых проводниках на исходной и перестроенной схеме.
Пример: Рассчитать сопротивление участка цепи, если R1 = 1 Ом, R3 = 2 Ом, R3 = 3 Ом
a)
Идея построения эквивалентной схемы основана на следующих положениях:
- По проводнику, включенному в электрическую цепь, течет ток, если на его концах имеется разность потенциалов
- Точки цепи, имеющие одинаковые потенциалы, можно соединять и разъединять, и при этом токи в отдельных участках цепи и её полное сопротивление не изменяется
- Если проводник не имеет сопротивления (считается идеальным), то все его точки имеют одинаковые потенциалы
Поскольку в предложенной схеме точки A и D соединены проводом с нулевым сопротивлением, то они обладают одинаковым потенциалом, так же, как и точки C и B. Теперь схему можно перестроить, объединив точки, имеющие одинаковые потенциалы (б).
Но при этом получается, что каждый проводник подключен к одним и тем же точкам, т.е. все три проводника подключены параллельно.
Теперь идею, обнаруженную при решении этой задачи, можно предложить применить в других ситуациях.
Пример: Рассмотрите схему (рис.1). Найдите в ней последовательно и параллельно соединенные проводники.
Рис.1 |
Рис.2 |
Во-первых, все точки разветвления электрического тока обозначим буквами А, В, С, D, E, F (рис.2).
Во-вторых, «распрямим» эту схему, расположив как можно больше обозначенных точек вдоль одной прямой.
На схеме, которая получилась, отчетливо видно какие соединения присутствуют, и учащиеся более уверенно справляются с заданием.
На этапе обучения, когда учащийся овладеет умением перестраивать электрические цепи в эквивалентные, можно обратить внимание на другие затруднения, которые связаны с составляющими электрической цепи.
Пример: Резисторы сопротивлением 4 Ом, 5 Ом и 6 Ом соединены последовательно. К резистору в 5 Ом приложено напряжение в 10 В. Рассчитайте общее сопротивление и силу тока в цепи (см.рисунок).
«Идеальный» амперметр имеет сопротивление равное нулю, а «идеальный» вольтметр сопротивление, стремящееся бесконечности. Идеальные приборы они не влияют на протекание тока в цепи, их показания не искажают значение измеряемой физической величины, поэтому решение задач такого типа не вызывает затруднений у учащихся.
Реальные измерительные приборы имеют сопротивление, поэтому оказывают влияние на результаты измерений. В этой связи полезно рассмотреть ряд ситуаций, где это влияние будет достаточно заметным.
Пример: Одни и те же элементы электрической цепи включены в электрическую цепь сначала по схеме 1, затем по схеме 2. Сопротивление резистора R, сопротивление амперметра 0,01R, сопротивление вольтметра 9R. Найдите отношение 
показаний амперметра в схемах. Внутренним сопротивлением источника и сопротивлением проводов пренебречь.
Для начала «неидеальный» амперметр, заменим «идеальным» прибором. Идеальный амперметр имеет сопротивление равное нулю. И поэтому последовательно с «идеальным амперметром» ставим резистор, имеющий сопротивление, равное сопротивлению амперметра.
И после этих преобразований, задача сводится к определению силы тока, протекающей через «идеальный» амперметр. А для этого используем законы последовательного и параллельного соединения.
Найдем общее сопротивление цепи:
Rобщ = 0,01R + 0,9R = 0,91R
ɛист = Uv = U
По закону Ома для полной цепи 
Для схемы 2 амперметр и резистор R подключены параллельно к вольтметру, то напряжение на этих участках цепи равно напряжению источника тока. Зная общее сопротивление ветви, состоящей из амперметра и резистора, опять по закону Ома можем определить силу тока.
Rобщ = 0,01R + R = 1,01R
ɛист = Uv = U
По закону Ома для полной цепи
Обучение физике на основе решения задач заключается не в том, чтобы осложнить учащимся процесс обучения, а в том, чтобы с помощью тщательно отобранных по содержанию и выстроенных в определенной последовательности задач сделать процесс освоения физических знаний понятным, осознанным и успешным. В статье продемонстрированы некоторые затруднения учащихся, возникающие при изучении темы «Постоянный электрический ток», и показаны некоторые возможности преодоления этих затруднений с помощью решения задач.
Литература.
- Ланина И.Я., Ларченкова Л.А. Учение с увлечением на уроках решения задач по физике. Пособие для учителей и студентов педагогических вузов.- СПб.: «Миралл», 2005. – 246 с.
- Ларченкова Л.А.Методическая система обучения решению физических задач в средней школе. Монография. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2013.- 156 с.
- Ларченкова Л.А.Физические задачи как средство достижения целей физического образования в средней школе. Монография. – СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2013. – 158 с.