V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Целью обучения физике в школе является формирование научного стиля мышления и научного мировоззрения, развитие воображения и творческого подхода к решению задач. Обучение физике должно помочь школьникам понимать научные факты и использовать знания для объяснения различного рода явлений. Для полноценного усвоения опыта творческой деятельности, а также знаний и умений необходимо использовать исследовательский метод. Основная идея исследовательского метода обучения заключается в использовании научного подхода к решению той или иной учебной задачи [12]. Работа учащихся в этом случае строится по логике проведения классического научного исследования, с использованием всех методов и приемов научного исследования, характерных для деятельности ученых.Главным в процессе овладения школьниками исследовательского метода считается целенаправленное и постепенное формирование у них в ходе изучения программного материала умения самостоятельно выдвигать и обосновывать гипотезы, которое базируется на выводахполученных из ранее установленных фактов, законов, теорий путем их дедуктивной экстраполяции, то есть распространения на новые явления, факты. В процессе применения этого метода школьники могут научиться видеть, осознавать проблемы, возникающие в процессе изучения природных явлений, выдвигать гипотезы для объяснения наблюдаемых явлений и закономерностей, предлагать модели явлений или процессов, проверять пригодность выдвинутых гипотез или предложенных моделей для разрешения обнаруженных проблем.

Умение формулировать гипотезу, являющееся одним из важных этапов исследовательского метода, вызывает особое затруднение у учащихся.

Гипотеза – это предполагаемое решение исследуемой проблемы, основанное на теоретических знаниях; предположение о закономерной (причинной) связи явлений, опирающееся на ранее известные факты [9, с. 74]. Гипотеза формулируется после возникновения проблемы в исследовании. Она может соответствовать одному или нескольким выделенным проблемным вопросам, обсужденным ранее. Гипотезы обычно формулируются в виде определенных отношений между двумя или более событиями, явлениями. Они рождаются как в результате логических рассуждений, так и в итоге интуитивного мышления. Одно из главных очевидных требований к гипотезе – её согласованность с фактическим материалом, она не должна противоречить никаким научным данным, поэтому не всякое предположение можно назвать гипотезой. Гипотеза в отличие от простого предположения должна быть обоснованной, указывающей путь исследовательского поиска. Гипотеза должна пройти логический анализ (её необходимо сопоставить с теми известными фактами, справедливость которых неоднократно и надежно обоснована), она не должна «приспосабливаться» к фактам, кажущимся очевидными и соответствующими здравому смыслу[8]. Она требует своего экспериментального подтверждения, а поэтому должнабыть принципиально проверяема, иначе если она не получит опытного подтверждения, то содержащаяся в ней идея не включается в научное знание. Всякая научная гипотеза должна быть плодотворной, это значит, что выдвинутая вначале для объяснения одного единственного явления, она в случае своего подтверждения должна надежно служить в дальнейшем при исследовании широкого круга природных процессов. Кроме того, при выдвижении и проверке гипотез необходимо пользоваться следующими правилами [3, с. 36]:

1. Из многих противостоящих друг другу гипотез, выдвинутых для объяснения серии фактов, предпочтительнее та, которая единообразно объясняет большее их число.

2. Для объяснения связанной серии фактов нужно выдвигать меньше гипотез, и их связь должна бытьболее тесной.

3. При выдвижении гипотезы необходимо сознавать вероятностный характер ее выводов.

4. Невозможно руководствоваться противоречащими друг другу гипотезами.

5. Гипотеза должна быть доступна проверке в результате исследования.

Можно выделить три стадии развития гипотез [3, с. 22]:

I стадия – возникновение гипотезы на основе имеющихся фактов, полученных на этапе предварительного знакомства с объектом исследования.

II стадия – формирование выводных гипотез.В зависимости от теоретического уровня понятий гипотезы делятся на основные и выводные (причины и следствия). Выводные гипотезы разрабатываются путем анализа основного предположения как его следствия. Основные и выводные гипотезы формируются в процессе разработки программы исследований на подготовительном этапе исследований.

III стадия – сопоставление выводных гипотез с данными, полученными на основном этапе исследований. Если это сопоставление покажет, что все следствия, теоретически выведенные посредством анализа основного допущения, существуют в действительности, то это будет доказывать, что гипотеза вероятна.

Для наиболее эффективного усвоения нового материала путём исследовательского метода необходимо [5, с. 31]:

– проанализировать проблемную ситуацию, найти противоречие между усвоенными знаниями и новыми фактами;

– сформулировать проблему на это противоречие;

– актуализировать теоретические знания как опору для выдвижения гипотезы;

– сравнить опорные знания и новые факты и сформулировать гипотезу.

– анализируя средства, найти способ доказательства гипотезы;

– проверить на опыте предположение.

Если исследователем были сформулированы гипотезы, то эмпирические данные служат для их проверки, подтверждения или опровержения.Гипотеза превращается в доказанную истину, если удается доказать, что из нее и только из нее одной, вытекает следствие, наличие которого устанавливается опытом.Такое доказательство можно получить в результате проведения целой серии исследовательских работ.В рамках одной исследовательской работы признание гипотезы вероятной можно считать достаточным основанием для того, чтобы использовать гипотезу для построения проектов совершенствования объекта исследования. Если выработанные практические рекомендации оказались эффективными и привели к улучшению объекта исследования, то гипотезу можно признать правильной, но доказать ее необходимо входе проведения повторных, контрольных исследований.

Приведем несколько примеров, отражающих логику исследовательского метода в процессе объяснения нового материала.Разбирая тему «Электромагнитная индукция», мы берем за базовое следующее высказывание А.Эйнштейна и Л. Инфельда: «Опыты Эрстеда и Фарадея создали основу, на которой построены законы Максвелла». Для того чтобы с помощью гипотезы подвести учащихся к пониманию сущности явления электромагнитной индукции и выводу о том, что переменное электрическое поле порождается переменным магнитным полем, вспомним с ними сначала условия возникновения электрического тока[7, с. 31].

Далее ставим серию экспериментов по электромагнитной индукции, в которых перемещается только катушка. Обращаем внимание учащихся на тот факт, что свободные электроны могут двигаться упорядоченно не только в электрическом, но и в магнитном поле. Так, в опыте с катушкой, замкнутой на гальванометр, и полосовым магнитом катушка перемещается в магнитном поле и вместе с ней в этом движении участвуют свободные электроны, имеющиеся в металлической проволоке катушки; возникновение электрического тока в данном эксперименте можно объяснить действием силы Лоренца[7, с. 31].

Предлагаем теперь сделать катушку неподвижной, а перемещать магнит относительно неё: вводить его в отверстие и выводить оттуда. Просим выдвинуть свою гипотезу для теоретического объяснения наблюдаемого эффекта. Учащиеся предполагают (гипотеза), что переменное электрическое поле, порождающее ток, есть результат существования переменного магнитного поля. Для проверки гипотезы целесообразно предложить им придумать еще один опыт, в котором катушка, замкнутая на гальванометр, была бы неподвижна в переменном магнитном поле, и посмотреть, что из этого получиться. После обсуждения различных вариантов вырисовывается план следующего опыта: поместить соленоид в катушку, замкнутую на гальванометр; с помощью ключа замыкать и размыкать цепь соленоида, питаемую от источника постоянного тока. Решаем, как поставить этот эксперимент; его можно провести с оборудованием от универсального разборного трансформатора[7, с. 31-32]. Наблюдаем: стрелка гальванометра фиксирует возникновение индуктивного тока в моменты замыкания и размыкания цепи соленоида. Внимание учащихся обращаем на то, что катушка находится в переменном магнитном поле соленоида, создаваемом меняющимся по величине электрическим током. Можно несколько видоизменить опыт: последовательно с источником постоянного тока в цепь соленоида включить реостат; тогда при изменении им силы тока в цепи соленоида изменится и индукция его магнитного поля, а гальванометр тоже зафиксирует возникновение электрического тока в катушке.

Эти демонстрационные опыты порождают проблемную ситуацию (чем объяснить появление индукционного тока в неподвижной катушке, ведь сила Лоренца в данном случае на электроны не действует?) и доказывают выдвинутую учащимися гипотезу: переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле[7, с. 31-32].

При изучении строения атомного ядра исследовательским методом можно подвести учащихся к пониманию того, что в атомном ядре между нуклонами действуют силы особого типа, природа которых отлична от гравитационных и электромагнитных сил. Поступаем следующим образом.

Сообщаем, что после открытия нейтрона советский физик Д.Д. Иваненко и независимо от него немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Обращаем внимание на то, что между протонами ядра действуют силы электростатического отталкивания. Ставим проблемный вопрос: как объяснить устойчивость атомного ядра? Просим выдвигать гипотезы для истолкования данного феномена[7, с. 32-33].

Так как ученикам известен закон всемирного тяготения, то вполне естественно такое предложение: протоны и нейтроны удерживаются в ядре гравитационными силами. Для его проверки даем задание: рассчитать и сравнить силы электростатического отталкивания Fэ и гравитационного притяжения Fг для двух протонов, находящихся внутри ядра на расстоянии ~10^-15м. оказывается, что Fэ>>Fг. Таким образом, для объяснения устойчивости атомного ядра предложенная гипотеза не годится. Необходимо высказать другую, например: о существовании и действии в атомном ядре между нуклонами сил особой природы. А вот как используется гипотетический подход при изучении свойств элементарных частиц и природы β-распада. Для включения гипотезы в процесс объяснения нового материала нужно вспомнить следующие вопросы: строение атомного ядра, правило смещения при β-распаде химических элементов, зарядовое и массовое числа, «материнское» и «дочерние» ядра, свойства нейтрино и антинейтрино[7, с. 32-33].

Изучение явления трения на первый взгляд не должно вызывать у школьников никаких особых затруднений, так как основные закономерности этого явления просты и доступны для самостоятельного обнаружения учащимися. В действительности трудности изучения в этой теме есть, и не только для учащихся. Прежде всего, трудно объяснить учащимся 7 класса природу силы трения, так как они еще не имеют систематических знаний ни о строении вещества, ни об электрических зарядах и силах их взаимодействия. Именно поэтому в учебнике вопрос о природе силы трения, по существу, не рассматривается[7, с. 33-34]. Однако учителю нужно быть готовым к вопросам учащихся подобного рода.На вопрос ученика о том, что же мешает движению одного твердого тела по поверхности другого, можно ответить постановкой первой проблемы: «Сначала вы мне ответьте на вопрос, почему вообще оказывается возможным движение одного твердого тела по поверхности другого, а потом я отвечу на вопрос о том, что же мешает этому движению».Смысл этого вопроса можно пояснить следующим образом. Вот два деревянных бруска. Каждый из них под действием небольшой силы легко движется по поверхности другого. Но один брусок сам состоит из двух брусков, только он еще не распилен. Попробуйте эти два бруска сдвинуть относительно друг друга. Эта задача оказывается непосильной любому человеку. Что же мешает движению одной половины бруска относительно другой?

Наверное, в каждом классе найдется ученик, который выскажет гипотезу: мешают силы взаимного притяжения, действующие между мельчайшими частицами твердого вещества, называемыми атомами и молекулами[7, с. 34].Подтвердив правильность высказанной гипотезы, можно сразу же поставить перед учащимися вторую проблему: если между атомами или молекулами твердого тела действуют такие большие силы притяжения, то почему две металлические пластинки, помещенные одна на другую, не соединяются в одну пластину вдвое большей толщины? Почему оказывается возможным движение одной пластинки по поверхности другой под действием очень малой силы? Почему разрезанная пополам металлическая пластина не соединяется снова в одну целую, если приложить одну половинку к другой?К решению второй проблемы школьников можно подтолкнуть таким вопросом: как будет выглядеть гладкая поверхность металлической пластины, если ее рассмотреть в микроскоп с большим увеличением?Ученик, имеющий опыт наблюдений с помощью микроскопа, ответит, что при рассматривании в микроскоп с большим увеличением поверхность любого тела оказывается очень неровной, покрытой выступами и впадинами, царапинами, острыми вершинами.Итак, пластинки соприкасаются между собой не всей поверхностью, а лишь небольшой ее частью. Силы межатомного притяжения действуют только между малой долей атомов на соприкасающихся участках поверхностей и потому очень слабы.Можно высказать гипотезу о том, что более удаленные друг от друга атомы на поверхностях пластинок не действуют друг на друга, потому что силы межатомного притяжения действуют только на очень малых расстояниях.Теперь возникновение силы трения можно объяснить тем, что для перемещения одного тела по поверхности другого необходимо преодолеть силы межатомного притяжения на участках соприкосновения, которые тотчас начинают действовать на вновь возникших участках соприкосновения[7, с. 34-35].

После объяснения природы силы трения можно поставить перед учениками третью проблему: почему сила трения увеличивается с возрастанием силы нормального давления?Можно ожидать, что кто-то из них выскажет гипотезу о том, что с возрастанием силы нормального давления увеличивается поверхность фактического соприкосновения тел, а это ведет к увеличению числа межатомных связей и возрастанию силы трения.

Теперь можно поставить четвертую проблему: как должна влиять обработка трущихся поверхностей на силу трения и как это происходит в действительности?Согласно данному выше объяснению, с повышением качества обработки поверхности тел сила трения должна возрастать, так как при этом увеличивается поверхность фактического соприкосновения тел. Однако на практике для уменьшения силы трения поверхности тел шлифуют и полируют как можно лучше. Как можно объяснить этот факт?Можно вполне рассчитывать на самостоятельное решение некоторыми учащимися и этой проблемы, если при решении второй проблемы на доске или на слайде проектора будет выполнен рисунок, который смог бы служить подсказкой для решения четвертой проблемы. На этом рисунке выступы и впадины на соприкасающихся поверхностях должны быть схематически представлены так, чтобы была очевидной неизбежность процессов частичного разрушения трущихся поверхностей тел при относительном перемещении. Следы такого разрушения поверхностного слоя тел при скольжении можно наблюдать в виде черных полос на асфальте, оставленных шинами автомобиля при резком торможении, в виде линий на листе белой бумаги, возникающих при трении грифеля карандаша о поверхность бумаги[7, с. 35]. Выяснив вторую причину возникновения силы трения, легко объяснить уменьшение коэффициента трения при повышении качества обработки соприкасающихся поверхностей.

Следующая, пятая проблема может быть сформулирована так: «О силе трения мы сделали два утверждения, которые привели к противоположным выводам. Если сила трения мала из-за небольшой поверхности соприкосновения, то при повышении качества обработки соприкасающихся поверхностей она должна возрастать. Если сила трения уменьшается при уменьшении неровностей на соприкасающихся поверхностях, разрушаемых при скольжении, то при повышении качества обработки соприкасающихся поверхностей сила трения должна уменьшаться. Так что же происходит на самом деле?»

Эта проблема из-за ее сложности, скорее всего, должна быть разрешена учителем. Он может обратить внимание учащихся на тот факт, что и при хорошей обработке поверхностей между ними остаются мельчайшие пылинки и молекулы газов воздуха, действующие как тонкий слой смазки. Так что обычно повышение качества обработки соприкасающихся поверхностей ведет к уменьшению коэффициента трения. Однако при достижении определенного уровня гладкости поверхности и ее чистоты картина резко меняется и поверхности прочно соединяются друг с другом. Этот эффект можно наблюдать на примерах слипания полированных предметных стекол для микроскопа, свежеобработанных поверхностей свинцовых цилиндров[7, с. 36].

Ознакомление с явлением расширения твердых и жидких тел при нагревании следует начинать с наблюдений этого явления в опытах. Эти опыты целесообразно выполнять не как иллюстрацию к рассказу о явлении, а как решающие эксперименты по проверке собственных гипотез учащихся. В этом случае обеспечен интерес и внимание учащихся к опытам. Но чтобы появились гипотезы учащихся, нужно поставить проблему, требующую экспериментальной проверки. В случае использования шара с кольцом проблему можно сформулировать следующим образом: «Посмотрите, у нас есть шар и кольцо, изготовленные из одинакового металла. Шар проходит через кольцо. А пройдет ли шар через кольцо, если нагреть шар и кольцо? А пройдет ли шар через кольцо, если нагреть только шар? А пройдет ли шар через кольцо, если нагреть только кольцо? Обоснуйте свои утверждения». Нужно ли предлагать три варианта эксперимента? Нужно хотя бы из-за того, что почти каждый учащийся без ошибки ответит на второй вопрос, а на первый и третий вопросы будут предлагаться разные ответы. Это и сделает проведение эксперимента интересным для учащихся и позволит выяснить, кто же прав. Загадка состоит в том, что произойдет при нагревании кольца: увеличится радиус его отверстия или уменьшится. Одним кажется логичным предположить, что при нагревании кольца отверстие уменьшается, так как кольцо расширяется во все стороны. Другим кажется логичным предположить, что при нагревании кольца отверстие увеличится, а третьи могут предположить, что размеры отверстия не будут изменяться, так как оно не нагревается. Обсудив все возможные варианты, можно приступить к их экспериментальной проверке и путем опытов установить, какая из гипотез верная[7, с. 36]. Для успешного проведения опытов необходимо нагревание более чем на 100°С. Поэтому нужно использовать либо пламя спиртовки, либо сухое горючее (рис. 1).

Рис.1 Опыт по тепловому расширению

Разумеется, все опыты учитель должен предварительно выполнить, чтобы знать, как нужно располагать нагреваемые детали в пламени, сколько времени их нужно нагревать, как перемещать нагретые детали, чтобы не получить ожога[7, с. 36].После завершения эксперимента полезно возвратиться к обсуждению результатов и найти теоретический способ доказательства утверждения о том, что отверстие кольца должно расширяться. Это утверждение можно доказать методом мысленного эксперимента. Представим себе, что имеется сплошной металлический лист. В этом листе вырежем круглое отверстие, а затем снова вложим вырезанный металлический диск в образовавшееся отверстие в листе. Мы имеем снова сплошной металлический лист. Будем нагревать этот лист. Если рассматривать его как лист с отверстием и вложенным в отверстие диском и считать, что нагревание приводит к уменьшению отверстия, то это уменьшение должно привести к сжиманию вложенного диска. Диск при нагревании расширяется, и это должно привести к возникновению еще больших противоборствующих сил, в результате чего вложенный диск должен быть смят. В действительности нагревание сплошного листа не приводит ни к каким деформациям, следовательно, предположение об уменьшении размеров отверстия при нагревании тела ошибочно[7, с. 36].

Приведенные примеры, разумеется, не исчерпывают возможностей использования исследовательского метода в курсе физики. Форма организации работы учащихся при этом может быть различной, она зависит от изучаемой темы, уровня развития ребят, степени подготовленности их к самостоятельной деятельности. Если учащимся трудно самим осуществить процесс построения гипотезы, то им помогает учитель, проводя их через все этапы исследовательского метода; учащихся в этом случае привлекают лишь к разрешению отдельных частных вопросов. В более подготовленном классе или по мере формирования соответствующих умений учитель уже может системой целенаправленных заданий и вопросов подвести самих школьников к формулировке гипотезы, её обоснованию и доказательству. Преимущество этого метода в том, что он учит всех учащихся мыслить, многие активно участвуют и в выдвижении, и в проверке гипотез, высказанных их одноклассниками. Те, кто предложил неверные идеи, имеют возможность убедиться в своих ошибках. Учащимся открывается возможность подискутировать, аргументированно отстаивать свою точку зрения. Исследовательский метод, таким образом, способствует развитию гибкости мышления как необходимого компонента для творческой деятельности и современного стиля мышления, поскольку помогает выработать критический подход и умение вести диалог.

Умение выдвигать гипотезу способствует отработке умений анализировать, сравнивать, синтезировать, формирует мыслительные операции: абстрагирование, обобщение, конкретизация. Это возможно как на индуктивном, так и на дедуктивном уровне движения мысли от незнания к знанию.

Библиографический список

1. Баженов Л.Б. Основные вопросы теории гипотезы / Л.Б. Баженов. – М.: Высшая школа, 1961. – 68 с.

2. Ванклив Дж. Занимательные опыты по физике /ДженисВанклив, пер. с англ. Н. Липуновой. – М.: АСТ, Астрель. – 2008. – 254 с.

3. Вилькеев, Д. В. Применение гипотезы в познавательной деятельности школьников при проблемном обучении: дидактическое пособие / Д.В. Вилькеев. – Казань, 1974. - 67 с.

4. Зверева Н.М. Активизация мышления учащихся на уроках физики: Из опыта работы. Пособие для учителей / Н.М. Зверева. – М.: Просвещение, 1980. – 112 с.

5. Голин Г.М. Использование метода гипотезы в обучении физике / Г.М. Голин// Физика в школе.– №6. – 2001г. – с. 28-32.

6. Ивлев Ю.В. Логика: учебник для вузов / Ивлев Ю.В. - 3-е изд.,перераб.и доп. - М. : Проспект, 2004. - 288 с.

7. Кабардин О.Ф., Физика. Книга для учителя. 7 класс / О.Ф.Кабардин. – М., Просвещение, 2009. – 128 с.

8. Меркулов И.П. Метод гипотез в истории научного познания / И. П. Меркулов. – М.: Наука, 1984. - 185 с.

9. Никитина Н.С., Еремин С.В. Использование гипотез в школьном лабораторном физическом эксперименте / Н.С. Никитина, С.В. Еремин // Научный поиск. – 2012. – №4.4. – с. 73-75.

10. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы /С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева, Н.Е. Важеевская и др.; Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 368 с.

11. Разумовский В.Г. Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике. Пособие для учителей / В.Г. Разумовский. – М.: Просвещение, 1975. – 272с.

12. РузавинП.И.Методы научного исследования:Учеб.пособие для вузов / П.И. Рузавин. – М., 1999.–317 с.

Код для цитирования: Скопировать