Методы поиска и исследований в преподавании физики
От мифов к простым фактам.
Потребность в познании мира в начале привела к попыткам объяснить мир сразу в целом, немедленно получить ответы на всеобъелющие вопросы: откуда взялась вселенная? В чем сущность жизни? Какие принципы управляют всеми событиями в мире? и т.п.
Однако дать сколько – нибудь обоснованные ответы на эти вопросы оказалось трудно, поэтому начали придумывать разнообразные мифы, появилась религия. Лишь примерно 500 лет назад человечество вступило на путь научного познания, на путь детального экспериментального изучения природы.
Это было зарождение науки в той форме, как мы ее знаем сегодня.
Развитие науки в современном понимании началось с того, что вместо попытки получить немедленно ответы на глобальные вопросы, начали интересоваться простыми, на первый взгляд незначительными фактами.
Вместо того, чтобы задавать общие вопросы и получить частные ответы, ученые начали ставить перед собой частные вопросы и находить общие ответы. В процессе познания законов природы отчетливо проявилась и продолжает проявляться справедливость мысли английского философа Бэкона о возможности нахождения общих законов в результате исследования частных фактов, установленных точными экспериментами.
Особенности физического метода исследования.
Цель физики: физика занимается изучением конкретных явлений, протекающих в природе, ее цель отыскать наиболее общие законы, и объяснить конкретные процессы действия этих общих фундаментальных законов.
Наиболее глубокое объяснение процессов удается дать на основе определенных представлений о строении вещества, выявление строения вещества также составляет задачу физики. Фундаментальных физических теорий сравнительно немного (к их числу относятся, например, классическая механика Ньютона, термодинамика, квантовая механика), но каждая из них охватывает громадную совокупность явлений, много частных законов.
Экспериментальный характер физики.
Цели физики определяют особенности ее метода изучения. Законы физики основаны на фактах, установленных опытным путем. Причем нередко истолкование одних и тех же фактов меняется в ходе исторического развития физики. Факты накапливаются в результате наблюдений. Но при этом только ими ограничиваться нельзя. Это только первый шаг к познанию. Дальше идет эксперимент, выработка понятий, допускающих качественные характеристики в форме числа. Чтобы из наблюдений сделать общие выводы, выяснить причины явлений, надо установить количественные зависимости между величинами. Если такая зависимость получается, то найден физический закон. Если найден физический закон, то нет необходимости ставить в каждом отдельном случае опыт, достаточно выполнить соответствующие вычисления.
Изучив экспериментально количественные связи между величинами, можно выявить закономерности. На основе этих закономерностей развивается общая теория явлений, объединяющая частные закономерности. Теория – это результат творческой работы, размышления и воображения. Теория позволяет не только объяснить факты, явления, но и предсказать новые (так, например, Менделеев на основе открытого им периодического закона, смог предвидеть существование нескольких химических элементов, которые в то время не были известны. Английский физик Максвелл на основе теории связи магнитного и электрических полей предсказал существование электромагнитных волн.)
Любое явление, любой процесс, свойства любого конкретного тела бесконечно сложны. Поэтому приступая к изучению физического явления, нужно выделить то главное, от чего это явление зависит существенным образом, и отбросить второстепенные обстоятельства, которые в рассматриваемом вопросе не играют существенной роли. Без такого упрощения изучение физических явлений было бы невозможно: самые простые явления приводили бы к сложным, неразрешимым задачам. Например, падение камня принадлежит к числу самых простых явлений. Главный фактор здесь – притяжение к Земле. Но имеется еще целый ряд обстоятельств, влияющих на падение камня: сопротивление воздуха. Вращение Земли, форма Земли, притяжение к окружающим телам. Поэтому при изучении любого явления нужно выделить существенное в нем. При этом нужно найти упрощенную модель происходящего в действительности сложного явления.
Примеры: материальная точка, точечный заряд, идеальный газ.
При изучении основного уровня состояния газов приходится упрощать реальные газы (молекулы реального газа совершают сложные движения: поступательное, вращательное, колебательное; обладают кинетической и потенциальной энергией, обладают размерами, объемом, оптические свойства сложные), отбрасывая все эти обстоятельства, нужно ставить проблему: от чего зависит давление газа? (на основе молекулярно – кинетической теории).
Подвожу учащихся к раскрытию проблемы: нас интересует только механические и тепловые свойства газа , поэтому приближенно можно считать молекулы газа маленькими упругими шариками, движущимися хаотически, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Давление на стенки сосуда обусловлено такими сосудоударениями, поэтому оно зависит от числа молекул, от их массы скорость движения.
Взаимосвязь процессов в природе.
Познаваемость мира
Каждое явление природы связано бесконечными нитями со всеми другими. Поэтому, объясняя какое – либо событие, нельзя не затронуть окружающий мир, этот мир един. В нем нет ни чисто механических, ни чисто тепловых, ни чисто электромагнитных явлений , ни чисто химических и других явлений.
Чтобы приблизиться к пониманию мира, мы рассматриваем так, что расчленяем единое целое и изучаем его по частям. Это необходимо, ибо нельзя объяснить сразу все многообразие вселенной.
При изучении физики приходиться вначале знакомиться с очень грубыми моделями реальных явлений, когда внутренние связи между явлениями непосредственно не выступают. При обобщении общей темы уточняются значения и роль различных процессов с тем, чтобы в конце концов приблизиться к пониманию мира как единого целого.
Усилиями многих ученых мы узнали очень много о закономерностях окружающего нас мира. Настолько много, что всю полученную информацию уже не может охватить индивидуальный человеческий мозг. Но знаем мы далеко не все. Не знаем, быть может, самого главного. Но человечество идет по пути познания мира, мира движущейся, изменяющейся, бесконечно разнообразной материи.
Этими положениями я и руководствуюсь в работе.
Урок – это творчество, поэтому он должен опираться на хорошо разработанную теорию.
Почти на каждом уроке ставлю проблему, связывая тему урока с историческим моментом открытия данного явления.
Приведу пример:
При изучении квантовой теории света ставлю вопрос: Как объяснить явление фотоэффекта, эффекта Комптона на основе электромагнитной теории света (при этом повторяю с помощью учащихся электромагнитную теорию света, излучение атомами электромагнитной энергии), объясняю, что , излучая электромагнитную энергию, орбита электрона постепенно уменьшается, что он приближается к ядру. Когда иссякнет вся энергия, электрон упадет на ядро, и атом исчезнет. Но, в действительности этого не случается, атом – стационарная частица. Следовательно, электромагнитная теория свет не может объяснить излучение света атомами.
При изучении законов фотоэффекта
Число вырванных электронов пропорционально световому потоку,
Скорость сорванных электронов пропорциональна чистоте света
Ставлю вопрос
Можно ли объяснить эти законы на основе электромагнитной теории света?
При изучении явления Комптона:
Рассеивание света в кристаллах и изменение длины волны. Рассуждая приходим к выводу, что это явление можно объяснить только на основе квантовой теории.
При обобщении темы «Свойства света» ставлю вопросы:
Какими волновыми свойствами обладает свет?
Какими свойствами обладает свет как материальная частица
Окончательно приходим к выводу:
Свет обладает дуализмом: представляет электромагнитные волны со свойствами частицы, распространяется импульсами.
При решении задач стараюсь учить учащихся не только получать общую формулу, но и исследовать ее, используя придельные переходы и построение графиков. Решение задач является одним из способов развития мышления учащихся, а также закрепление их знаний. Однако обычные применяемые методы обучения решению физических задач методы образцов, рассуждений, грифов, эвристические методы, алгоритмические методы) не позволяют научить всех ориентироваться в любой конкретной ситуации, представленные в условии задачи.
Общим для решения всех задач, является поиск решения, поэтому целесообразно учить учащихся не методом решения отдельных задач, а методу поиска решения. Метод поиска решения физических задач состоит из пяти этапов:
анализ физического явления, описанного в задачи и условие его существование.
выражение этих условий на языке физической науки.
выражение этих условий в виде математических уравнений.
выполнение математических операций с физическими величинами, и их наименованиями
контроль соответствия полученного результата, условиям существования рассматриваемого явления в задаче.
Для того, чтобы учащиеся овладели методом поиска решения задач, необходимо научить их сначала правильному выполнению действия в отдельности, после чего они должны усвоить последовательность выполнения этих действий.
Поисковые методы при изучении темы «колебательные движение».
Формулы периода колебания маятника самое важное в теме. Они применяются для объяснения многих явлений в окружающей жизни и технике. На знание этих формул будет опираться изучение электрических колебаний. Поэтому очень даже целесообразно провести поисково – исследовательские работы по вопросу от чего зависит период колебаний математического маятника.
Предлагаю учащимся такую работу с маятником:
Определить периоды маятника при разных массах груза. Делают вывод: период не зависит от массы тела
Определить периоды маятника при разных амплитудах колебений. Делают вывод: период не зависит от амплитуды колебаний
Определяют периоды при разных длинах маятника и устанавливают, что период пропорционален длине маятника.
Затем выводим формулу голландского физика Гюйгенского.
Исследования формулы Гюйгенса на уроке приводит к возможностям ее применения для обнаружения полезных ископаемых по измерению ускорения свободного падения в зависимости от плотности пород, залегающих около поверхности Земли (в частности приводится пример, залегания руд в области Курской магнитной аномалии было уточнено измерением аномалии силой тяжести: способ предложил физик Лазарев).
Эти методы дают возможность успешно обучать учащихся физике.