Экспериментальное исследование учащихся

А.Н. Годлевская /godlevskaya@tut.by/, А.А. Карацюба /allakaracuba@mail.ru/

В течение многих лет один из авторов статьи является членом жюри республиканских олимпиад по физике на её областном и заключительном этапе. При проверке работ экспериментального тура жюри с сожалением отмечает тот факт, что к нему большинство участников олимпиады подготовлено значительно слабее, чем к теоретическому туру. Многие учащиеся «хромают на обе ноги» как при планировании и проведении эксперимента, так и при оформлении и трактовке полученных результатов.

Типичная ошибка на этапе планирования эксперимента состоит в отсутствии обоснования стратегии и тактики действий на различных этапах исследования. Сумбурность в подготовке экспериментальных установок, проведении исследований и записи результатов измерений обусловливает действие учащихся не в полном соответствии с заданием, затруднения и потери времени при обработке и анализе полученных результатов. Это становится причиной того, что вместо формулировки обоснованных выводов в завершение работы школьники только перечисляют выполненные ими действия и иногда записывают надуманные выводы, выдавая желаемое за действительное.

Авторы настоящей статьи убеждены, что учащихся нужно готовить к экспериментальному туру олимпиады и можно это делать, располагая несложным оборудованием, имеющимся в кабинете физики, и приспособлениями, изготовленными учителем или самими учащимися. В приложении А приведено описание задания к экспериментальному исследованию, которое было разработано одним из соавторов и апробировано в работе с учителями физики – участниками первого Гомельского областного фестиваля тренеров по физике, слушателями курсов повышения квалификации в Гомельском областном институте развития образования, а также на занятиях с учащимися Лицея при Гомельском инженерном институте МЧС Республики Беларусь.

Обучение воспитанников лицея направленно на подготовку их к поступлению в учреждения образования, в которых готовят специалистов для органов и подразделений, подчинённых Министерству по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к студентам Гомельского Инженерного института МЧС Республики Беларусь, при изучении физики первокурсники должны уметь:

- использовать основные физические законы;

- рассчитывать параметры физических процессов в технических системах;

- проводить физический анализ параметров процессов для принятия решений при применении технических систем;

- проводить простейшие измерения;

- оценивать степень достоверности экспериментальных результатов.

Эти требования, а также необходимость дополнительной мотивации воспитанников профильного лицея к изучению физики учитывались нами при подготовке экспериментального исследования. Заблаговременно один из авторов статьи – преподаватель физики в лицее организовала обучение учащихся произведению измерений посредством микрометра и штангенциркуля, познакомила с общими правилами проведения экспериментального исследования.

Так как по состоянию здоровья не все выпускники лицея бывают допущены к поступлению в вузы МЧС, то в целях профессиональной ориентации учащихся предварительно была проведена экскурсия по физическому факультету Гомельского государственного университета им. Ф. Скорины. Экскурсоводами были преподаватели и научные сотрудники его кафедр.

По окончании экскурсии экспериментальное исследование, в котором принимали участие лицеисты из разных школьных параллелей, проводилось в одной из лабораторий кафедры оптики. 20 воспитанников из 8 – 11 классов были разделены на четыре одинаковые по численности группы. Обязанности в них распределялись с учётом уровня подготовки ребят из разных классов: были назначены ответственные за планирование эксперимента, выполнение измерений, ведение записей, построение графиков, анализ полученных результатов и формулировку выводов. В обсуждении плана действий на каждом этапе и результатов работы участвовали все члены группы. Отчёт об исследовании готовил командир группы. В ходе работы, кроме авторов статьи, консультативную помощь юным исследователям оказывала учитель физики из лицея
Н.В. Лоцманова.

Основное содержание предварительных инструкций для учащихся в сокращённом изложении таково.

Познакомившись с содержанием всего экспериментального задания, необходимо выделить в нём отдельные логически завершённые фрагменты, выявить взаимосвязь между различными этапами исследования, оценить возможность применения результатов, полученных на промежуточных этапах работы, при продолжении исследований.

Форма представления результатов измерений – не только показатель грамотности экспериментатора, но и способ рациональной организации и облегчения работы по анализу полученных зависимостей, а также экономии рабочего времени. Поэтому, планируя эксперимент, следует определить те величины, которые могут быть использованы в качестве варьируемых переменных и в качестве постоянных параметров при получении частных зависимостей. На этом этапе важно предварительно, до выполнения измерений обдумать форму регистрации результатов измерений, удобную для их обработки, и составить таблицы для записи значений измеренных величин, предусматривая в них ячейки для указания постоянных и варьируемых величин в каждом отдельном опыте.

Для записи результатов измерения нужно выделить в таблицах столько граф, какова планируемая кратность повторения измерений в одних и тех же условиях, и добавить графы для записи среднего значения измеренной величины и погрешности её определения.

Если предполагается представлять результаты измерений в графической форме, предпочтительно колонки, предназначенные для записи величин, между которыми устанавливается функциональная зависимость, расположить в таблицах возможно ближе друг к другу – так легче и быстрее считывать данные без ошибок. Если экспериментально полученная зависимость отличается от прямо пропорциональной или линейной, выберите одну из осей координат в соответствии с видом предполагаемой зависимости. Например, если график похож на изображение гиперболы, вдоль оси абсцисс отложите значения величины 1/x и постройте график в координатах (y, 1/x). Если действительно величина y обратно пропорциональна величине x, то в новых осях координат график изобразится прямой линией. Учитывая положение её относительно осей координат и значения измеренных величин в отдельных точках, можно уточнить характер искомой зависимости. При использовании такого преобразования графиков, называемого линеаризацией зависимости, полезно ввести в таблицу столбец для записи значений величины 1/x (или иной величины – в зависимости от вида зависимости). В заголовках таблиц и рядом с осями координат, в которых строятся графики, следует указывать единицы измерения размерных величин. Оцифровка осей координат производится через равные интервалы. До построения графиков необходимо вычислить погрешности определения измеренных величин, отметить доверительные интервалы возле точек, построенных по экспериментальным данным. Строить графики следует, проводя в пределах доверительных интервалов сглаженные линии возможно ближе к экспериментально полученным точкам, а не соединять их ломаными линиями.

Выводы о результатах исследований должны формулироваться аргументировано, в соответствии с целью опыта и отражать его результаты. В них необходимо отметить отсутствие или наличие предполагаемой зависимости, её характер, условия, при которых имеет место установленная зависимость и само явление. При возможности приводится объяснение причин изучаемого явления и характерных для него закономерностей.

Многочисленные примеры обработки результатов экспериментальных данных можно найти в книге А.И. Слободянюка [1].

Так как экспериментальное исследование было организовано нами в режиме тренинга, инструкция для учащихся о порядке выполнения работы была достаточно подробной на этапе качественного знакомства с явлением дифракции и при исследовании дифракции на щели и более лаконичной при формулировке заданий по исследованию дифракции на одномерных и двумерных дифракционных решётках.

В университетской лаборатории воспитанники лицея выполнили практическую часть работы. По возвращении в лицей они занялись обработкой результатов, построением графиков, формулировкой выводов и составлением отчетов об исследовании. Работа оказалась посильной всем воспитанникам, но даже для старшеклассников она оказалась новой, сопряжённой с трудностями, так как ко времени выполнения исследования тема «Дифракция света» ещё не была изучена на уроках физики в полном объёме. В непредсказуемых ситуациях, подобных этой, как правило, и оказываются учащиеся на областном и республиканском туре олимпиады по физике.

В ходе составления отчётов наибольшее количество ошибок учащиеся допустили при построении графиков: при градуировке осей, выборе масштаба, обозначении осей. Учащиеся испытали затруднения при комбинировании общей формулы, отражающей закономерности (выявленные экспериментально и предполагаемую), по причине недостаточного опыта в таких действиях. При проведении вычислений учащиеся должны были использовать значения величин, измеренных ими в различных единицах (миллиметрах, нанометрах, метрах). Невнимательность при их выражении в одинаковых единицах обусловила ошибки в определении коэффициента пропорциональности в эмпирически установленных формулах (задания 6 и 8 д). Затруднились воспитанники и при формулировке выводов о работе, особенно относительно возможного практического применения изученного явления.

В ходе совместно проведённого с учителем анализа итогов тренинга воспитанники отметили, что они осознали важность приобретения на уроках физики и на дополнительных занятиях в лицее навыков экспериментальной и исследовательской работы для продолжения обучения в вузе. Они выразили намерение в последующей учёбе выполнять требования, предъявляемые к их знаниям и умениям, не только по настоянию учителя. Воспитанники предложили также свои идеи, касающиеся подготовки материала к научно-практической конференции; при этом их особенно заинтересовали возможности практического применения изученного явления.

Предложенный в статье вариант экспериментального исследования (в полном объёме или отдельные его логические фрагменты) может быть реализован учащимися, которым уже знакомы свойства механических волн и законы геометрической оптики, на факультативных занятиях, на уроках-мастерских, в ходе школьной олимпиады или при подготовке к школьному турниру юных физиков.

Проводя работу в соответствии с заданиями приложения А, учащиеся самостоятельно выявят сущность явления дифракции и условия его наблюдения, познакомятся с несколькими способами косвенного измерения величин (длины волны излучения и характерного размера объекта, на котором происходит дифракция), основанными на закономерностях одного и того же физического явления, реализуемого в различных условиях. При этом имеется возможность посредством преобразования представленных графически зависимостей, соответствующих заданным значениям постоянных параметров, выявлять функциональные зависимости от каждого из них. Анализируя определённые экспериментально закономерности дифракции и сравнивая значения величин, они смогут сделать заключение о точности используемых методов.

Таким образом, в ходе выполнения экспериментального исследования школьники познакомятся со многими приёмами, характерными для научно-исследовательской работы, которые они смогут применить при подготовке к интеллектуальным соревнованиям и во время последующей учёбы в вузе.

1 Слободянюк, А.И. Экспериментальные задачи в школе : пособие для учителей общеобразоват. учреждений с белорус. и рус. яз. обучения / А.И. Слободянюк. – Минск: Аверсэв, 2011. – 397 с. – (Библиотека учителя).

2 Климович, Ю.И. Тетрадь для лабораторных работ. Физика. 11 класс /
Ю.И. Климович. – Минск: ООО «Сэр-Вит», 2003. – 80 с. – (Школьная программа).