Статья "Организация исследовательской деятельности на уроках физики"

Организация исследовательской деятельности учащихся на уроках физики

Автор: Вольф Светлана Владимировна, учитель физики высшей  квалификационной категории, МАОУ СОШ №25 города Тюмени

Модернизация общего образования включает и реформирование физического образования. Физика как общеобразовательный предмет вносит свой вклад в решение задач обучения, воспитания и развития учащихся, подготовки их к труду и жизни.

Физика – наука экспериментальная и организация исследовательской деятельности учащихся при ее изучении позволяет повысить интерес к физической науке, сделать её занимательной и полезной. Важно дать понять школьнику, что физика – это не страшно, физика – это интересно.

Исследовательская деятельность учащихся многогранна, потому её можно организовать на любом этапе изучения физики. При изучении теории; решении задач; проведении демонстрационного эксперимента; выполнении лабораторных работ.

 Темы исследовательских работ, как и ход их выполнения могут быть различными. Главное – не исследование приборов или придумывание сложных вычислений, а умение пользоваться этими приборами для доказательства и проверки достоверности законов. Ученики должны уметь правильно формулировать вывод своей работы, предоставить достоверные результаты экспериментов.

В ФГОС, как основного, так и общего образования включены требования формирования методологических знаний, исследовательских умений. Исследовательские умения

Физика как учебный предмет обладает объективными возможностями для развития общих исследовательских умений и для становления и развития личности ученика при его включении в различные виды познавательной деятельности в учебном процессе.

К познавательным учебным умениям относятся:

а) работа с учебной и научно-популярной литературой, ресурсами Интернета, а на этой основе умения самостоятельно приобретать и углублять знания;

б) проведение наблюдения и формулировка вывода, моделирование и построение гипотезы;

в) умения самостоятельно ставить эксперимент и на его основе получать новые знания, объяснение явлений и наблюдаемых фактов на основе имеющихся теоретических знаний, предсказывание следствий из теорий.

К практическим умениям относятся умения пользоваться измерительными приборами, производить математическую обработку результатов измерений, решать различные виды учебных задач.

К организационным умениям относятся правильная организация своего рабочего места во время занятий и лабораторных работ, умения планировать свою деятельность.

К оценочным умениям относятся умения давать социально-экономическую и экологическую оценку полученным значениям величин в результате решения вычислительных или экспериментальных задач, достоверности результатов измерений.

Роль и значение учебно-исследовательской деятельности старшеклассников в процессе обучения физики в школе состоит в том, что с их помощью в значительной мере решаются проблемы формирования сознания у подрастающего поколения, более глубокого изучения учащимися физических процессов и явлений.

Работа учителя физики при организации исследовательской деятельности включает в себя несколько функций:

1)                      организация индивидуальной работы, работы в группах.

2)                      организация внутриклассной активизации и координации, через выполнение школьниками творческих работ.

При организации исследовательской деятельности решаются следующие задачи:

- обучение учащихся на примере реальных проблем и явлений, наблюдаемых в повседневной жизни;

- обучение приемам мышления: поиску ответов на вопросы, видению и объяснению различных ситуаций и проблем, оценочной деятельности, приемам публичного обсуждения, умению излагать и отстаивать свою точку зрения, оперативно принимать и реализовывать решения;

- использование разных источников информации, приемы ее систематизации, сопоставления, анализа;

- подкрепление знания практическими делами с использованием специфических для физики методов сбора, анализа и обобщения информации.

Учебно-исследовательскую деятельность можно организовать на различных этапах урока; на различных типах уроков; на факультативах; а также во внеурочной деятельности с помощью различных форм учебного занятия.

В идеале исследовательская деятельность должна встраиваться в классно-урочную систему так, чтобы учитель мог сам компоновать необходимые ему учебные модули из отдельных элементов, они должны максимально учитывать действующие учебные программы и требования к учащимся.

При организации исследовательской деятельности необходимо правильно подобрать методы, средства и приемы обучения. Основной метод – продуктивный (проблемно – поисковый, эвристический), который предполагает самостоятельное усвоение знаний и способов действий, развитие творческого мышления, перенос знаний в незнакомую ситуацию, видение новой проблемы в традиционной ситуации, преобразование известных способов деятельности и самостоятельное создание новых.

Основные средства, которые нужно использовать учителю:

·  образец решения задачи;

·  алгоритмическое предписание;

·  обучение эвристическим методам решения задач на большом числе примеров;

·  самостоятельное и заинтересованное решение учащимися задач, способ решения которых им неизвестен, но материал которых не выходит за рамки их знаний.

Основные общедидактические приемы: анализ, сравнение, обобщение и систематизация, выдвижение гипотез, перенос знаний в новую ситуацию, поиск аналога для нового варианта решения проблемы, доказательство или опровержение гипотезы, планирование исследования, оформления результатов исследования. Следует отметить, что обучать элементам исследовательской деятельности необходимо при дифференцированном подходе к обучению физике.

В зависимости от сложности учебного материала и уровня подготовки учащихся выделяются несколько моделей организации учебно-исследовательской деятельности учащихся. На первом уровне преподаватель ставит проблему и намечает методы ее решения. На втором уровне преподаватель только ставит проблему, учащиеся самостоятельно находят методы ее решения. На третьем уровне учащиеся самостоятельно формулируют проблему и предлагают методы ее решения.

К заданиям исследовательского метода можно отнести: классные лабораторные работы и домашние практические задания; решение аналитических проблем; кратковременные задания, предполагающие определенный срок (неделю, месяц); групповые и индивидуальные задания; работы для участия в учебно-исследовательских проектах.

Познавательная задача.

При изучении нового материала познавательная задача используется в качестве мотивирующей. Через постановку познавательных задач осуществляется развитие самостоятельности и активности учащихся на уроках физики.

Например, при введении понятия путь и перемещение, можно предложить следующую задачу: Турист отправился в путешествие по следующему туристическому маршруту: Он начал свое путешествие с берега реки. Пройдя вдоль берега реки 1 км в северном направлении, свернул на восток, прошел еще 3 км, река осталась позади. Дойдя до опушки леса, он сделал стоянку на 30 минут и отправился дальше через лес, пройдя 4 км, он повернул на юг, пройдя 1 км двинулся на запад пройдя 5 км, он вышел на земляничную поляну. Какой путь прошел турист и какое перемещение? Изобразите маршрут туриста с помощью условных обозначений.

                 перемещение 2 км.

                 Путь 1+3+4+1+5=14 км

Первый урок по теме «Кинематика» можно начать со следующей задачи: Вы едете по шоссе и вам необходимо определить вашу скорость, чтобы проверить спидометр. Что у вас для этого имеется, и какие нужно совершить действия? В ходе беседы выясняется, что для измерения времени необходимы часы, а для измерения расстояния можно воспользоваться указателями вдоль дороги или телеграфными столбами. Они расположены на одинаковом расстоянии.

При построении рисунка изображаем прямой участок шоссе, километровые столбики. Обращаем внимание на столбик, с которого начинаем считать («нулевой» столбик). Вводим понятие координатной оси, тела отсчета, системы отсчета. Вспоминаем формулу v=s/t. Построение математической модели ситуации решает поставленную проблему. В качестве домашнего задания учащимся можно предложить придумать и подробно описать метод определения скорости течения реки.

Изучая физику, мы изучаем понятия, явления, законы. При решении задач новые понятия и правила обращения с ними не даются в готовом виде, а конструируются как необходимые инструменты познания и преобразования окружающей действительности. При реализации этого подхода к преподаванию физики урок будет состоять из следующих этапов:

1.                     постановка проблемы;

2.                     актуализация имеющихся знаний;

3.                     «создание» новых знаний в ходе совместной деятельности учителя и учащихся.

Поэтому процесс обучения может быть построен по схеме:

Проблема → Ресурсы ( материальные, идеальные) → Явление /объект/ система → Модель физическая/математическая → Преобразование модели → Преобразование предметной области

Творческие задачи.

Решение творческих задач возможно на этапе закрепления знаний. Например, после изучения темы «Оптическая сила линзы» можно предложить такую задачу: «Вот видите, старина! - вскричал Гедеон Спилет. - Огонь, настоящий огонь, на котором прекрасно изжарится эта чудесная дичь.

- Но кто... зажег его? - спросил Пенкроф».

 Каким образом был зажжен огонь, что для этого потребовалось?

На демонстрационном столе предложены варианты ответов: зеркала (плоское, выпуклое, вогнутое), плоскопараллельная пластина, призма, линзы (собирающая, рассеивающая). Для ответа на вопрос обучающиеся предлагают варианты, вспоминая свойства изображений, даваемых данными приборами.

По окончании обсуждения вариантов можно выдвинуть предположение о том, что это может быть собирающая линза. Здесь уместен провокационный вопрос: «Любая ли собирающая линза способна зажечь огонь?» Практика показывает, что почти в каждом классе найдутся несколько человек, которые, зная, что линзы по-разному изменяют изображение, по аналогии скажут, что линза должна иметь достаточно большой диаметр. Далее им предлагается на практике проверить свое утверждение экспериментально, с помощью модели линзы проанализировать результаты опыта, сделать выводы.

Исследовательские задания.

В процессе решения исследовательских заданий учащимся необходимо провести исследование, которое характеризуется следующими методологическими категориями: проблема, тема, актуальность, объект исследования, предмет исследования, цель, задачи, гипотеза.

Исследование начинается с постановки проблемы, которую необходимо решить, изучив теоретический материал и проведя эксперимент. Проблема может формироваться в теме исследования. Выдвижение проблемы и формулирование темы предполагает обоснование её актуальности. Необходимо дать ответ на вопрос: “Зачем надо изучить данную проблему”. Тема уточняет проблему, очерчивает границы исследования, конкретизирует основной замысел.

Объект исследования - круг изучаемых предметов или явлений. Необходимо ответить на вопрос: что будем исследовать? Предмет исследования – включает связи и отношения, которые подлежат непосредственному изучению в данном исследовании. В каждом объекте можно выделить несколько предметов исследования. Предмет исследования отвечает на вопросы: когда? в связи с чем? в каких условиях?

Цель исследования - это обоснованное представление об общих конечных или промежуточных результатах. Цель формулируется кратко и предельно точно, выражает то основное, что намеревается сделать исследователь.

Задачи исследования представляют алгоритм действий исследовательской работы, этапы достижения цели. Задачи всегда содержат искомое, требуемое, рассчитанное на совершенствование определенных действий, приложение усилий для продвижения к цели, для разрешения проблемы.

Формулировка задач начинается с глаголов, которые показывают, что нужно сделать: выявить, проверить, провести анализ, обобщить, охарактеризовать, систематизировать.

Первая задача связана с выявлением, уточнением, обоснованием сущности и структуры изучаемого объекта исследования.

Вторая задача – с анализом реального состояния предмета исследования, динамики его развития.

Третья задача со способностями преобразования, моделирования, опытно-экспериментальной проверки.

Четвертая задача с выявлением путей и средств повышения эффективности совершенствования исследуемого предмета, т. е. с практическими аспектами работы.

 Гипотеза исследования – это обоснованное предположение о том, как, каким путем, за счет чего можно получить искомый результат. Гипотеза – это предположение, при котором на основе ряда факторов делается заключение о существовании объекта, связи или причины явления, причем этот вывод нельзя считать вполне доказанным. Наиболее существенным моментом исследовательской деятельности является высказывание гипотез и их проверка. Обучение выдвижению гипотез возможно с помощью познавательных вопросов, при этом необходимо обучать их постановке. Опыт показывает, что простого требования ставить вопросы на знание понятия, явления, закона или по тексту учебника недостаточно. Это стимулирует лишь выяснение фактического материала, иногда особенностей изучаемого. Нужны вопросы “Почему…”, “Чем объяснить…”, свидетельствующие о понимании самого главного в теме.

Исследовательские задания могут быть средством изучения нового материала. Экспериментально-исследовательские задания являются основным видом творческих заданий, используемых на уроке при объяснении нового материала, и при закреплении пройденного.

Например, при изучении следствий из закона Ома для полной цепи обучающиеся работают в группах, выполняют дифференцированные экспериментально-исследовательские задания. Школьники сами ищут ответ на поставленный в задании вопрос, выдвигая гипотезу и проверяя ее экспериментально. Одно из заданий выполняется с использованием компьютерной модели, так как в условиях кабинета физики невозможно выполнение данного задания. В ходе исследовательской деятельности формируется умение предсказывать следствия закона.

Учащимся предоставляется выбор степени сложности задания, в процессе работы используются рабочие листы с целью систематизации материала и экономии времени. При заполнении таблицы формируется умение структурировать материал.

На уроках при организации исследовательской деятельности применяются различные методы и приемы обучения: проблемный метод, метод проектов, собственно исследовательский метод, эвристический метод, эксперимент. 

Для развития познавательных способностей необходимо в ходе обучения ставить учащихся в такие ситуации, в которых они вынуждены высказывать предположения, строить догадки, т.е. создавать проблемные ситуации на уроке.

Перед изучением закона Ома для полной цепи можно создать проблемную ситуацию, показав демонстрационный эксперимент по рисунку, где в качестве источника тока взят выпрямитель. В этом опыте пропорциональная зависимость между силой тока и напряжением, знакомая учащимся из закона Ома для участка цепи, не наблюдается. Возникает противоречие между новыми и ранее полученными знаниями, и для объяснения явления нужно исследовать всю цепь, а не один ее участок.

Исследовательский метод обучения школьников на уроках физики предполагает использование принципа цикличности, являющийся носителем логики научного познания, следуя которой школьник приобщается к основам исследовательской деятельности. Этапы принципа хорошо согласуются с этапами урока любого типа: урока изучения нового материала и его первичного закрепления, комбинированного урока, урока решения задач, урока лабораторной работы.

Соответствие этапов урока этапам логики познания

Метод проектов. На первом этапе работы над проектом в рамках учебного занятия (на первом уроке) осуществляется выбор тем исследований, формирование групп, определение основополагающего и рабочих вопросов. На втором этапе (он включает как урочную, так и внеурочную деятельность) – изучение литературы, отбор информации, проведение опытов, экспериментов, наблюдений, исследований с анализом, обобщением полученных результатов с формулированием выводов и собственной точки зрения на исходную проблему проекта и способы ее решения. Для воплощения найденного способа решения проблемы проекта создается конечный продукт. Защита проекта осуществляется на обобщающем уроке по теме. Проект может осуществляться как во внеурочное время, так и во время урока.

Эксперимент является одним из ведущих методов школьного курса физики. Он успешно моделирует явления, которые невозможно наблюдать непосредственно, позволяет дать заключения о степени справедливости тех или иных гипотез. Нередко эксперимент становится источником противоречий, создает на занятиях проблемные ситуации.

С целью развития мышления учащихся и развития их познавательной самостоятельности применяется эвристический прием проведения фронтальных лабораторных работ. Он предполагает проведение их до изучения соответствующего материала. Например, лабораторную работу по смешиванию холодной и горячей воды целесообразно проводить с целью установления уравнения теплового баланса, то есть эвристически. Ставится познавательная задача урока: имеется холодная и горячая вода, требуется на основе опыта установить, есть ли разница между количеством теплоты, отданном горячей водой и количеством теплоты, полученным холодной водой при смешивании воды. После постановки познавательной задачи, обучающиеся высказывают свои предположения. Затем они выполняют экспериментальную часть работы. Далее учитель предлагает проанализировать полученные результаты и помогает проанализировать результаты при помощи вопросов: на сколько градусов остыла горячая вода? Есть ли зависимость между массой воды и той разностью температур, которая наблюдается при нагревании и остывании воды? (80 г холодной воды нагрелось на 18°С, а 160 г горячей воды остыло на 9°С). Что можно сказать о произведении массы на разность температур для горячей и холодной воды? Далее учитель напоминает формулу, которой измеряется количество теплоты ) и предлагает обучающимся сформулировать результат проделанной лабораторной работы.

В объяснение нового материала целесообразно включать фронтальные опыты. Фронтальные опыты учат школьников наблюдать и анализировать явления, способствуют развитию мышления.

Например, в 7 классе перед изучением понятия скорости учащимся предлагается пронаблюдать за движением парафинового, пластилинового и свинцового шариков в стеклянных трубках с водой. При выполнении задания обучающиеся руководствуются указаниями, которые им даются в письменном виде. До выполнения задания школьники отвечают на вопросы (выдвигают гипотезы): Как вы думаете, какой из шариков будет двигаться быстрее? Какой медленнее? В результате выполнения опытов, их анализа, на основе сравнения обучающихся подводят к понятию скорости.

Эвристическая беседа может включать вопросы и частично-поисковые задания, требующие от учащихся высказываний интуитивного характера (догадки, выдвижения предположений). Такая беседа имеет исследовательский характер.

Урок-исследование по теме «Действие жидкости и газа на погруженные в них тела» можно провести в форме эвристической беседы, т.е. с помощью системы вопросов-ответов. В ходе беседы учащиеся «открывают» факт существования выталкивающей силы, приобретают знания о направлении действия выталкивающей силы, устанавливают качественную зависимость выталкивающей силы от объема погруженной части тела и плотности жидкости или газа.

Анализ работы показывает, что возможна организация исследовательской деятельности на уроках-практикумах, при выполнении лабораторных работ. При проведении лабораторных работ ученики работают группами по 4-5 человек, в кабинете подготовлены столы с лабораторным оборудованием.

Исследовательские лабораторные работы, проводимые как индивидуально, так и в группах, могут проходить по следующему плану:

1. Учитель сообщает проблему, для решения которой проводится лабораторная работа.

2. Знания учащимся не сообщаются. Учащиеся самостоятельно их получают в процессе исследования. Средства для достижения результатов учащиеся выбирают сами, т.е. становятся активными исследователями.

3. Учитель управляет процессом исследований

За счет индивидуализации и дифференциации обучения, использования информационно-коммуникационных технологий достигается эффективность лабораторных занятий по физике.

Уроки-лабораторные работы могут быть преобразованы в уроки-исследования. Урок-исследование эффективен при закреплении, повторении, обобщении знаний. Учитель подбирает материал для наблюдения, планирует определенные этапы работы. В процессе выполнения исследовательских работ формируется умение самостоятельно ставить эксперимент.

Пример урока-исследования можно посмотреть в приложении к данному выступлению

Методические рекомендации по организации исследовательской деятельности при обучении физике во внеурочной деятельности

Внеклассную исследовательскую деятельность можно начать с мастер-класса «Как выполнить исследовательскую работу». В результате чего учащиеся познакомятся с методикой проведения исследования, попробуют самостоятельно выполнить свою исследовательскую работу и оформить отчет в виде презентации.

1. Цель: необходимо установить … .

2. Сбор информации: необходимо узнать, какие существуют данные по этому вопросу в научной литературе.

3. Методика исследования.

 4. Обработка результатов и их обсуждение.

Индивидуальная исследовательская работа учащихся. Эксперименты по изучению приборов не входят в обязательный минимум лабораторных работ, однако могут быть интересны для учащихся, интересующихся физикой и техникой. В рамках этих работ учащимся необходимо исследовать известные приборы на предмет улучшения их параметров, например, разрешающей способности. Для того чтобы учащимся было проще разработать методы усовершенствования исследуемых приборов, необходимо четко понимать их назначение, поэтому экспериментальную часть работы можно дополнить соответствующими рефератами или предложить решить несколько специально подобранных задач. Такие экспериментальные работы могут быть выполнены в рамках факультатива или кружка.

Например, в исследовательской работе «Сборка модели зеркального перископа» дано определение устройства, в котором заключены те дополнительные задачи, которые можно поставить перед учащимися: 1) сконструировать перископ, позволяющий проводить измерения расстояний; 2) сконструировать призменный перископ; 3) дополнить перископ линзовыми системами в зависимости от каких-либо специфических задач.

Для более младшего возраста можно предложить исследовательскую работу по теме «Калейдоскоп».

Список литературы