Верховцева Марина Олеговна
учитель физики, гимназия № 526 Московского района, Санкт-Петербург
ver_mar@mail.ru

Моделирование системы учебного физического эксперимента с использованием современного оборудования кабинета физики (на примере раздела «Механика»)

Аннотация
В статье излагаются результаты педагогического исследования по моделированию системы физического эксперимента по механике в основной и средней школе при использовании современного цифрового оборудования кабинета физики. Показано, что эффективность обучения может быть повышена посредством деятельностного подхода, который может быть реализован при использовании разноуровневых заданий для учащихся. Приведены примеры соответствующих заданий.

Ключевые слова 
учебный физический эксперимент, цифровое оборудование кабинета физики, системно-деятельностный подход, проблемное обучение

Современное состояние образования предполагает реализацию деятельностного подхода при обучении учащихся основной и средней школы. Поскольку этот подход при обучении физике требует постоянной опоры на учебный физический эксперимент (УФЭ), кабинет физики должен быть оснащен полным комплектом демонстрационного и лабораторного оборудования. Система демонстрационных и лабораторных экспериментов при изучении физики в школе предполагает использование как классических аналоговых измерительных приборов, так и современного цифрового оборудования. Возможности применения современного цифрового оборудования при проведении учебного физического эксперимента достаточно разнообразны, однако на сегодняшний день отсутствует целостная методическая система по реализации этих возможностей при обучении физике в общеобразовательной школе. Использование современного оборудования требует не только нового подхода к методике и технике проведения УФЭ, но и соответствующей систематизации эксперимента в рамках каждого раздела физики. Педагогическое исследование рассматривает методику создания функциональной системы УФЭ с использованием современного цифрового оборудования, которая, наряду с реализацией принципа научности в обучении физике, позволила формировать общеучебные информационные, экспериментальные, проблемные, деятельностные умения учащихся, что привело к повышению эффективности учебного процесса.

В качестве рабочей гипотезы педагогического исследования было взято утверждение о том, что если разработать и применить на практике систему УФЭ с использованием современного демонстрационного и лабораторного оборудования, то целостное применение данной системы повысит мотивационный интерес учащихся к изучению физики, что приведет к повышению качества знаний учащихся. Для апробации и выявления эффективности внедрения системы УФЭ с применением современного цифрового оборудования в обучении физике организован и проведен соответствующий педагогический эксперимент. Эксперимент проводился в период с 2007 по 2013 г.г. в ряде образовательных учреждений Санкт-Петербурга. 

Основной целью педагогического эксперимента являлось проверка возможности целостного использования системы УФЭ при обучении физике в основной и средней школе и установление влияния данной системы на повышение эффективности обучения физике. Главными задачами педагогического эксперимента являлись:

1. выяснение необходимости создания системы УФЭ с использованием современного демонстрационного и лабораторного оборудования;

2. выяснение необходимости создания современных методических рекомендаций по использованию современного демонстрационного и лабораторного оборудования в  УФЭ в основной и средней школе;

3. проверка возможности применения системы УФЭ в основной и средней школе;

4. внедрение авторских методических рекомендаций по использованию системы УФЭ с использованием современного оборудования кабинета физики и определение влияния целостного применения данной системы УФЭ на повышение качества знаний учащихся по физике.

По результатам (на основе выборки) входного тестирования были сформированы контрольные и экспериментальные группы в параллелях 8, 9 и 10 классов. В контрольных группах при обучении физики демонстрационный и лабораторный эксперимент выполнялся по традиционным методикам на стандартном оборудовании, а в экспериментальных группах при организации УФЭ использовались современное цифровое оборудование по предложенной в исследовании методике.

Приведем в качестве примера возможные методические рекомендации при систематизации УФЭ в разделе «Механика». В данном случае опора делалась на лабораторное оборудование L-micro, демонстрационный комплект «Механика» L-micro, ЦЛ «Архимед» (ScienceCube или FhyWe).

В настоящее время общеобразовательные учреждения получают оборудование нового поколения для физического эксперимента. На смену громоздкому аналоговому оборудованию приходит компактная цифровая техника. Использование цифрового оборудования, такого как L-micro и «Архимед», не только расширяет возможности лабораторного и демонстрационного экспериментов, но и позволяет перераспределить время урока в пользу увеличения непосредственно эксперимента и сокращения организационных этапов урока. Возможности осуществления УФЭ на сегодняшний день достаточно обширны.

Рассмотрим модель системы УФЭ с использование современного цифрового оборудования по разделу «Механика». Механические явления изучаются и в основной, и в средней школе (7, 9, 10 класс). Из всего перечня УФЭ выделим два основных блока – демонстрационный эксперимент и фронтальные лабораторные работы. Практика работы (в том числе, преподавание на курсах повышения квалификации для учителей физики [1]) показывает, что именно данный УФЭ традиционно присутствует в преподавании физики в большинстве школ.

Демонстрационный набор «Механика» имеет в своем составе цифровые датчики (оптоэлектрические ворота), информация с которых посредством компьютерного измерительного блока L-micro передается на ПК. Особенностью этого типа демонстрационного оборудования является заранее запрограммированный разработчиками однозначный вариант обработки результатов эксперимента. Работа с современными комплексами средств цифровой лаборатории «Архимед» рассматривается такими авторами как М.А.Петрова [2], И.Я.Филиппова [3]. Преимуществом использования системы датчиков в совокупности с программой обработки данных MultiLab является возможность выбора уровня и способа обработки результатов, однако именно это требует от учителя большего навыка в работе с самим оборудованием и с измерительным комплексом. Стоит отметить, что использование демонстрационного оборудования нового поколения не отменяет общих методических правил проведения демонстрационных экспериментов.

Основные идеи, которые легли в основу формирования списка УФЭ по разделу «Механика», могут быть определены следующими позициями:

1. проблемный характер постановки заданий для фронтального лабораторного эксперимента,

2. включение лабораторного опыта не при закреплении, а при изучении нового материала,

3. вариативность воплощается в жизнь в изменении структуры и содержания инструкций для выполнения лабораторных экспериментов.

Анализ методических пособий по организации фронтальных лабораторных работ показывает, что у большинства авторов содержание лабораторных работ ориентировано на закрепление изучаемого материала, формирование у школьников необходимых умений и навыков по сборке экспериментальных установок по описанию, рисунку или схеме. Однако при проведении итоговой государственной аттестации учащихся по физике за курс основной школы формулировка экспериментальных заданий существенно отличается от привычных для школы инструкций по проведению лабораторных работ [4]. Поэтому проблемный характер постановки заданий для фронтального лабораторного эксперимента, включение лабораторного опыта не при закреплении, а при изучении нового материала, существенно изменяет качество подготовки учащихся по физике в основной школе. 

Экспериментальные задания традиционно выполняются по письменным инструкциям. Пошаговые инструкции задают учащимся программу конкретных действий, позволяют работать в индивидуальном темпе. Управляющая функция письменных инструкций изменяется в зависимости от содержания учебного материала урока и подготовленности учащихся. В одних случаях она дается системой указаний к выполнению задания, в других – системой вопросов, ответы на которые учащиеся получают из наблюдений и экспериментов. Мы считаем, что идея вариативности при изучении физики в основной школе должна воплощаться в жизнь не в увеличении количества заданий, а в изменении структуры и содержания инструкций для выполнения лабораторных экспериментов. Именно характер формулировок заданий в инструкции позволяет учителю организовать проведение лабораторных работ на базовом или повышенном уровне. Методика организации фронтального лабораторного эксперимента долгое время основывалась на том, что письменные инструкции следует вводить постепенно [5]. На наш взгляд, устное инструктирование не является необходимым звеном в формировании экспериментальных умений и навыков учащихся. Понятие «инструкция по применению» («manual») знакомо учащимся из бытовой повседневной жизни. Поэтому с первых лабораторных работ письменные инструкции должны стать неотъемлемой частью самостоятельного выполнения заданий учащимися. При систематическом выполнении заданий в классе учащиеся, получив навыки самостоятельного экспериментирования, могут более активно участвовать в планировании опыта. На данном этапе работы целесообразно вместо подробной пошаговой письменной инструкции к заданию ставить перед учащимся только учебную задачу и направлять их на путь самостоятельного поиска её решения. Учащиеся, ориентируясь на имеющееся оборудование, предлагают план проведения опыта. Данная методика проведения фронтальных лабораторных экспериментов резко меняет стиль работы, темп становится плотным, учащиеся меньше отвлекаются, высвобождается время на предварительное обсуждение эксперимента (например, лабораторная работа «Измерение мгновенной скорости при равноускоренном движении» в 9 и 10 классах). Уровень сложности выполнения работ определяется характером описания, которое выдается учащимся (например, в лабораторной работе «Изучение движения тела, брошенного горизонтально» в 9 или 10 классе).

Некоторые фронтальные эксперименты целесообразно выполнять в группах. Групповая форма работы обоснована при исследовании зависимости периода колебаний маятника от параметров системы (лабораторные работы «Исследование зависимости периода колебаний математического маятника и пружинного маятника от параметров системы» в 9 или 11 классах). Данная форма организации предполагает дробление лабораторной работы на отдельные элементы, когда каждая группа выполняет свою часть общего задания. При таком методическом приеме необходимым условием является обсуждение и анализ результатов экспериментов отдельных групп с последующей формулировкой общего вывода.

Часть предлагаемых фронтальных работ выходит за рамки классического содержания лабораторного эксперимента, демонстрируя дополнительные возможности использования оборудования (например, «Определение g кинематическим методом» в 9 и 10 классах). Некоторые лабораторные работы представлены в нескольких вариантах, различающихся применяемым оборудованием и методами выполнения (например, лабораторная работа «Измерение массы тела»). Возможно выполнение лабораторных работ с комбинированным использованием инструментария L-micro и датчиков «Архимед» (например, лабораторная работа «Исследование силы Архимеда»). Использование ЦЛ при проведении лабораторных экспериментов изменяет характер умственной деятельности учащихся, возрастает объем логического и творческого мышления. При этом учащиеся исследуют реальный процесс, результаты которого обработаны с помощью компьютерной техники.

Организация занятий позволяет ставить перед учащимся только учебную задачу и направлять их на путь самостоятельного поиска её решения. Учащиеся, ориентируясь на имеющееся оборудование, предлагают план проведения опыта. Данная методика проведения фронтальных лабораторных экспериментов резко меняет стиль работы, темп становится плотным, учащиеся меньше отвлекаются, высвобождается время на предварительное обсуждение эксперимента, анализ результатов и рефлексию по результатам учебной деятельности. Таким образом, гарантируется выполнение государственного стандарта при обучении физике в основной и средней школе, осуществляется принцип системно-деятельностного подхода в организации учебного процесса.

В ходе проведенного исследования предложен ряд лабораторных и экспериментальных заданий разного уровня самостоятельности при их выполнении (пошаговая инструкция, «информация к действию», «информация к размышлению»), позволяющий включать в познавательную деятельность разные по уровню деятельностного развития группы учащихся. Разработаны методические рекомендации по способам работы с заданиями.

Анализируя результаты проделанной работы, можно утверждать, что использование системы УФЭ с применением современного цифрового оборудования в практике преподавания физики в основной и средней школе оказывает влияние на качество учебного процесса. Начальные (до начала эксперимента) состояния экспериментальной и контрольной групп совпадали. Группы не отличались ни объемом знаний по физике, ни уровнем владения методологическими навыками, ни мотивацией к изучению физики.  После окончания эксперимента в контрольной и экспериментальной группах в каждой параллели наблюдались различия. Следовательно, можно сделать вывод, что эффект изменений обусловлен именно применением экспериментальной методики обучения. Оптимизация системы УФЭ при преподавании физики в 9 и 10 классах привела к статистически значимым (на уровне 95% по критерию Крамера-Уэлча) отличиям результатов.

На основании результатов, полученных в ходе педагогического эксперимента, можно сделать вывод о том, что использование системы УФЭ на основе ЦЛ и оборудовании L-micro благоприятно сказалось на результатах успеваемости и уровне знаний учащихся экспериментальных групп.

Литература

1. Верховцева М.О. Повышение квалификации учителей физики в области учебного физического эксперимента. В сб. Физика в системе современного образования (ФССО-13): материалы XII Международной научной конференции. Петрозаводск, 3 – 7 июня 2013 г.: в 2 т. / отв.ред. А.И.Назаров. – Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013. С.32-35.

2. Петрова М.А. Применение цифровых лабораторий в учебном физическом эксперименте в общеобразовательной школе. Дисс. канд. пед. наук. Москва, 2008. – 260 с.

3. Филиппова И.Я. Методика применения цифровой лаборатории «Архимед» в преподавании физики в школе: Методическое пособие / Под ред.И.Ю.Лебедевой. – Вып.2. – СПб.: СПбАППО, 2008. – 48 с.

4. Физика: ГИА: Сборник экспериментальных заданий для подготовки к государственной итоговой аттестации в 9 классе (Серия «Итоговый контроль: ГИА») / Г.Г.Никифоров, Е.Е.Камзеева, М.Ю.Демидова; Под ред. М.Ю.Демидовой. – М.; СПб.: Просвещение, 2012. – 173 с.

5. Буров В.А., Кабанов С.Ф., Свиридов В.И. Фронтальные экспериментальные задания по физике в 6-7 классах средней школы / Под ред. В.А.Бурова. М.: Просвещение, 1981

Рекомендовано к публикации:
А.В.Ляпцев, доктор физико-математических наук, нвучный руководитель работы
А.А.Ахаян, доктор педагогических наук, член Редакционной Коллегии

 ______

Marina O. Verkhovtceva
Physics teacher,   Gymnasium № 526,  Saint-Petersburg
ver_mar@mail.ru

Simulation system of school physics experiment using modern equipment of a physics classroom (for example in the section «Mechanics»)

The paper presents the results of a pedagogical study on modeling the system of physical experiments on mechanics for secondary education by means of modern digital equipment of school physical laboratories. It is demonstrated that the efficiency of teaching can be increased by providing a set of multi-level tasks for students. Some examples of such tasks are provided.

Keywords
School physics experiment, digital equipment of a physics classroom, systemically-active approach, problem-based instruction