(апробировано в течение 8 лет, результат положительный)

Деятельность учителя по адаптации учащихся к работе в новом

интеллектуальном пространстве на уроках физики
Фролова Галина Михайловна, учитель физики МКОУ «Масловская СОШ» Новоусманского района Воронежской области Решение задач в процессе обучения физике имеет многогранные функции: оно-средство осознания и усвоения изучаемых понятий, явлений и закономерностей, средство отработки знаний и формирования умений применять их на практике, средство повторения пройденного, способ связи курса физики с жизнью и производством во всех его разновидностях, средство создания проблемных ситуаций, предваряющих рассмотрение нового раздела или вопроса. Оно имеет, кроме перечисленных обучающих функций, и ряд воспитывающих: учит трудится, быть целеустремлённым и самостоятельным, творчески активным. Одним из условий обеспечивания глубоких и прочных знаний у учащихся является организация их деятельности по решению задач. В методической литературе часто используются термины «задача» и «физическая задача». Одно из первых определений физической задачи дали С.Е.Каменский и В.П.Орехов в пособии для учителей «Методика решения задач по физике в средней школе» (М., «Просвещение», 1986г.). «Физической задачей, - пишут они, - в учебной практике обычно называют небольшую проблему, которая в общем случае решается с помощью логических умозаключений, математически действий и эксперимента на основе законов и методов физики… В методической и учебной литературе под задачами обычно понимают целесообразно подобранные упражнения, главное назначение которых заключается в изучении физических явлений, формировании понятий, развитии физического мышления учащихся и привитии им умений применять свои знания на практике». Анализируя многие определения этого понятия, можно сделать вывод, что физическая задача – это ситуация (совокупность определённых факторов), требующая от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике и на развитие мышления. Очень велико значение процесса решения задач в овладении системой понятий, особенно в усвоении понятий о физических явлениях и величинах. Важное значение имеют задачи как средство диагностики общего умственного развития и специальных способностей учащихся. Решение задач имеет большое воспитательное значение, т.к. с их помощью можно познакомить учащихся с достижениями науки и техники; воспитать трудолюбие, настойчивость, волю, характер, целеустремлённость. Процесс решения задач является средством контроля за знаниями, умениями, навыками учащихся. Научить учащихся решать физические задачи – одна из сложных педагогических проблем. Исследования показали, что успех обучения решению задач зависит от применяемой учителем методики обучения: учащиеся пользуются обобщённым методом решения или каждая частная задача решается своим методом. Учитель обязан знать и применять различные способы обучения учащихся решать задачи, но в конкретном случае он должен выбрать наиболее рациональный. Теория и практика в настоящее время выделяют три основных способа: 1.Традиционный. 2.Полусамостоятельное и самостоятельное решение задач учащимися. 3.Алгоритмический. Хотелось бы остановиться на третьем способе. Использование алгоритма можно читать методом в рамках программирования. 1
Алгоритм в педагогике понимается как указание по выполнению строго последовательных операций с учебным материалом (над исходными данными любой задачи), что гарантирует решение учебных задач на высоком уровне. Процесс обучения решению задач в данном случае идёт в определённой последовательности. 1.Коллективное решение задач, относящихся к определённой теме. 2.Выдвижение проблемы отыскания общего метода решения задач данной темы. 3.Отыскание учащимися (под руководством учителя) общего метода решения задач данной темы, «создание» алгоритма решения задач. 4. Усвоение структуры алгоритма и отдельных операций, из которых слагается решение, в процессе коллективного решения задач. 5. Самостоятельное решение задач, включающее самостоятельный анализ условия, выбор способа краткой записи его, применение найденного алгоритма решения к конкретной ситуации, анализ и проверка полученного решения. 6. Самостоятельная работа по решению задач в связи с выполнением домашних заданий. 7. Самостоятельная работа по решению задач в связи с выполнением контрольных работ. Алгоритмический способ включает деятельность учащихся (под руководством учителя) по анализу решения частных задач и выделению общего метода решения, а затем превращение общего метода в алгоритмическое предписание, самостоятельную работу учащихся по овладению конкретным алгоритмом решения задач по данной теме. Умение решать задачи следует отнести к сложному познавательному умению, усвоение которого, с одной стороны, предполагает усвоение большого количества операций и частных умений, с другой стороны, выступает как критерий усвоения различных элементов знаний. Теория и практика развития учащихся, обучение их умению решать задачи выделяет в настоящее время одним из способов такой работы алгоритмический метод. Общий алгоритм решения физической задачи определяет структуру деятельности учащихся по отысканию решения любой вычислительной задачи. Структура деятельности представляет собой реализацию основных этапов решения через определённые действия. Алгоритм выполняет функцию модели деятельности. Учебная деятельность заключается в описании наблюдаемого, в организации поиска ответа на поставленный вопрос, в объяснении наблюдаемого факта и в исполнении намеченного плана. Познание любого процесса (явления или предмета) начинается с описания наблюдаемого. На основе описания отыскивается первоначальная структура деятельности (эвристика), которая ставиться основой создания предписания. Полученное предписание, как правило, недостаточно детерминирует процесс познания. Алгоритм же можно рассматривать как познанную структуру деятельности.
Алгоритм решения задач на уравнение теплового баланса (8 класс)
1. Прочитайте условие задачи. 2. Проанализируйте условие задачи, т. е. выделите тела, участвующие в тепловом обмене, и определите процессы, в которых участвует каждое тело. 3. Кратко запишите условие задачи. 4. Запишите условие теплового баланса в общем виде: Q отданное + Q полученное = 0 или  Q отд.  =  Q получ.  5. Запишите уравнение теплового баланса для конкретных тел и заданных процессов. 6. Решите полученные уравнения относительно искомой величины и проверьте правильность его решения путём действий с наименованиями. 7. Подставьте числовые значения в решение общего вида и произведите вычисления. 8. Оцените достоверность полученного результата решения. 9. Запишите ответ.
Использование данного алгоритма
Имеется следующее условие задачи:
Определить массу дров, необходимых для нагревания 2л воды до кипения, если

начальная температура воды 20

С.
2
После знакомства с условием задачи проводится первичный анализ с выявлением тел, участвующих в тепловом обмене. В тепловом обмене участвуют: вода и дрова. Затем выясняются процессы, происходящие с телами: дрова сгорают, выделяя энергию, а вода нагревается за счёт поглощения данной энергии. Оформляется краткая запись условия задачи: Дано: m в =2кг t 1 =20C t 2 =100C C=4200Дж q=1,3  10 7 Дж/кг m д -? Осуществляется процесс решения задачи, который начинается с записи уравнения теплового баланса в общем виде. Т. к. в условии задачи никаких оговорок нет, то будем считать, что вся выделившаяся при сгорании дров энергия поглощается водой, значит, уравнение теплового баланса имеет вид:  Q отд  =  Q получ  Уточняем данную запись: Q отд = qm д – количество энергии, выделившийся (отданной) при сгорании дров. Q получ = Сm в (t 2 -t 1 ) – количество энергии, полученное водой. Уравнение теплового баланса примет вид: qm д = Cm в (t 2 -t 1 ) Из полученного уравнения выражаем искомую величину: Cm в (t 2 -t 1 ) m д =  q Теперь можно подставить значения и вычислить. 4200  2(100-20) m д =  = 0,052кг = 52г 1,3  10 7 Проверяем размерность единиц измерения: Дж/кг  С  кг  С Дж  кг  m д  =  =  = кг Дж/кг Дж Далее анализируем ответ: для нагрева воды от 20  С до кипения необходимо 52г дров. Расчёты произведены верно, задача решена.
Проследим взаимосвязь между ходом решения задачи и процессом адаптации
3
Этапы процесса адаптац ии Деятельность учителя Деятельность ученика Знакомство 1.Организация процесса знакомства с условием задачи. 2.Анализ условия задачи. Знакомятся с условием. Тип задачи узнаваем. Ответ: -Задача на применение теплового баланса. Оценка Наводящие вопросы: -Сколько тел участвуют в теплообмене? - Какие процессы происходят с телами в результате теплообмена? - Можно ли считать, что вся энергия, выделившаяся при сгорании дров, пойдёт на нагревание воды? - Как рассчитать энергию выделившуюся и поглощённую? Ответы: - Два: вода и дрова. -Дрова в результате сгорания выделяют энергию, а вода выделившуюся энергию поглощает. Записывают краткое условие. - Да, т.к. никаких оговорок в задаче нет. Q отд = qm д – количество энергии, выделившееся при сгорании дров. Q получ = Сm в (t 2 -t 1 ) – количество энергии, полученное водой. Ориентация -Каков тип данной задачи? -Количества отданной и полученной энергий равны, поэтому будем решать задачу, используя уравнение теплового баланса в общем виде. Для данной задачи оно выглядит так: |Q отд .| = |Q получ .| 4
-Применим ли имеющийся алгоритм для решения данной задачи? (записывают уравнение) -Применим, и мы это уже доказали. Принятие решения Вопросы: - Каков дальнейший ход решения задачи? -Соответствуют ли полученные единицы измерения искомой величине? Действия учащихся: Записывают уравнение теплового баланса в развёрнутом виде. qm д = Cm в (t 2 -t 1 ) Выражают искомую величину: Cm в (t 2 -t 1 ) m д = ————— q При подставлении значений получают ответ 52г. Проверяют размерность единиц измерения. кг переводятся в г для более эстетичной записи ответа. Изменяем условие задачи:
Сколько нужно сжечь дров, чтобы нагреть 2л воды, взятой при 20

С до кипения,

налитой в алюминиевый котелок массой 600г?
Анализируем условие задачи и приходим к выводу, что предыдущий алгоритм приемлем и к данной задаче. Но на этот раз энергию, выделившуюся при сгорании дров, поглощают два тела: вода и котелок. Уравнение теплового баланса примет вид: Q пол.в . + Q пол.к . = Q отд . Q пол.в .= С в m в  t – энергия, полученная водой. Q пол.к .= С а m к  t – энергия, полученная котелком. Q отд . = qm д – энергия, отданная дровами. Математическая запись уравнения усложняется: С в m в  t + C а m к  t = qm д С в m в  t + C а m к  t 5
Следовательно, m д =  q Даже не рассчитывая, видим, что масса дров увеличится, т. к. в числителе появилось ещё одно слагаемое С а m к  t . Предположение проверяем расчётами: 4200Дж/кг  С  2кг  80  С + 920Дж/кг  С  0,6кг  80  С m д =  = 0,055кг = 55г 1,3  10 7 Дж/кг Анализируем ответ, сравнивая его с ответом предыдущей задачи. Т. к. кроме воды нужно нагреть ещё и котелок, то дров потребуется больше, это хорошо иллюстрирует полученный ответ.
И вновь прослеживаем взаимосвязь между ходом решения задачи и процессом

адаптации
Этапы п р о ц ес са адаптации Деятельность учителя Деятельность ученика Знакомство 1.Организация процесса знакомства с условием задачи. 2.Анализ условия задачи. Знакомятся с условием. Тип задачи узнаваем. Ответ: - Задача на применение теплового баланса. Оценка Наводящие вопросы: - Что нового в условии данной задачи? - Какие процессы происходят с телами в результате теплообмена? - Можно ли считать, что вся энергия, выделившаяся при сгорании дров, пойдёт на нагревание воды и котелка? - Каков физический смысл Q получ .? Ответы: - В теплообмене участвуют три тела: вода, котелок и дрова. -Дрова выделяют энергию, а вода и котелок энергию поглощают. Записывают краткое условие. - Да, т.к. никаких оговорок в задаче нет. -Это сумма энергий, полученных водой и котелком 6
- Как рассчитать энергию выделившуюся и поглощённую? Q получ = Q получ.в. + Q получ.к. Q отд = qm д – количество энергии, выделившееся при сгорании дров. Q получ = С в m в (t 2 -t 1 )– количество энергии, полученное водой. Q получ = С а m к (t 2 -t 1 )- количество энергии, полученное котелком. Ориентация Вопросы: -Каков тип данной задачи? -Применим ли имеющийся алгоритм для решения данной задачи? - Как выглядит уравнение теплового баланса для данной задачи? Ответы: -Количества отданной и полученной энергий равны, поэтому будем решать задачу, используя уравнение теплового баланса в общем виде, которое выглядит так: |Q отд .| = |Q получ .| (записывают уравнение) -Применим, и мы это уже доказали. Записывают уравнение: Q отд = Q пол.в .+ Q пол.к. Принятие решения Действия учащихся: Решают задачу самостоятельно. Q отд = Q пол.в .+ Q пол.к. qm д = С в m в ∆t + C а m к ∆t С в m в ∆t + С а m к ∆t 7
Анализ полученного результата. - Почему ответ данной задачи отличается от предыдущего? m д = ———————— q При подставлении значений получают ответ 55г. -Т.к. увеличилось количество тел, поглощаемых энергию, то необходимо больше дров. И вновь усложняем условие задачи:
Сколько нужно сжечь дров, чтобы нагреть 2л воды от 20

С до кипения, находящейся

в алюминиевом котелке массой 600г, если КПД дров 60%?
Условие задачи составлено так, что уравнение теплового баланса в том виде, в котором оно применялось в предыдущих задачах в данном случае неприменимо. Перед учащимися возникает некая проблема: какой же алгоритм нужно использовать для решения данной задачи. Поскольку существующий общий алгоритм решения задач на уравнение теплового баланса для решения данной задачи не подходит, то возникает необходимость создания нового алгоритма для задач данного типа. Беря за основу общий алгоритм учащиеся под руководством учителя создают новый алгоритм: 1.Прочитайте условие задачи. 2.Проанализируйте задачу, т. е. выделите тела, участвующие в тепловом обмене, определите процессы, в которых участвует каждое тело. 3. Кратко запишите условие задачи. 4. Определите, по какой формуле рассчитывается энергия полученная и отданная. 5. Конкретизируйте. Какая энергия будет являться полезной, а какая – затраченной. 6. Запишите уравнение теплового баланса с учётом КПД. 7. Решите полученное уравнение относительно искомой величины и проверьте правильность его решения путём действий с наименованиями (единицами измерения). 8. Подставьте числовые значения в решение общего вида и произведите вычисления. 9.Оцените достоверность полученного результата решения. 10.Запишите ответ.
Использование нового алгоритма.
После чтения задачи проводится первичный анализ и выявляются тела, участвующие в тепловом обмене: котелок и вода с одной стороны, а дрова – с другой. Процессы, происходящие с телами: дрова сгорают, выделяя энергию, а вода и котелок эту энергию поглощают. Но в условии задачи есть ссылка на КПД, значит вода и котелок поглощают не всю энергию, выделившуюся при сгорании дров, а лишь её 60%,а остальные 40% теряются в окружающей среде. Значит, только 60% энергии будет полезной, т. е. поглощённой водой и котелком. Запишем краткое условие задачи. Дано: Решение m в =2кг m к =0,6кг Q о т д = qm д – энергия, отданная дровами при сгорании C в =4200Дж/кг  С (полная или затраченная)
(1)
8
С а =920Дж/кг  С q=1,3  10 7 Дж/кг Q получ = Q 1 + Q 2 , где t 1 =20  C t 2 =100  C Q 1 = C в m в  t – количество энергии, полученное водой. КПД=60%=0,6 Q 2 = C а m к  t – количество энергии, полученное котелком
(2)
m д -? Значит, Q получ = С в m в  t + C а m к  t Q получ = Q полезное =  t(C в m в + C а m к ) Снова возвращаемся к условию задачи и анализируем данные о КПД. Если только 60% энергии получают вода и котелок, значит полученная энергия меньше отданной (затраченной). Q п  Q з Сопоставляя имеющиеся у учащихся знания о КПД из курса механики 7класса, делаем вывод, что А п формула КПД =  100% применима к данной задаче. А з Вместо А п и А з (полезная и затраченная работа) используем Q п и Q з . Начиная с решения данной задачи полученную энергию будем называть полезной, а отданную – затраченной. Значит, предыдущие выводы учащихся о том, что Qп  Qз верны и соответственно можно записать уравнение теплового баланса с учётом КПД: Q п = КПД  Q з или Q п =  Q з
(3)
По аналогии с механикой 7кл. учащиеся делают вывод, что полезная энергия всегда меньше затраченной, т. е. потери энергии неизбежны- это закон природы. Далее уравнение Q п =  Q з раскроем и решим относительно искомой величины. Подставим (1) и (2) в (3):  t(С в m в + С а m к ) =  qm д  t(С в m в + C а m к ) m д =  q  Проверяем размерность единиц измерения:  С(Дж кг  кг  С+Дж кг  кг  С)  С  Дж  С  m д  =  =  = кг Дж  кг Дж  кг Можно подставить значения и решить: 80  (4200  2+920  0,6) m д =  = 0,092 кг = 92г 0,6  1,3  10 7
Анализ решения задачи и адаптации учащихся в процессе решения

представим в виде таблицы
Этапы процесса Деятельность учителя Деятельность ученика 9
адаптации Знакомство 1.Организация процесса знакомства с условием задачи. 2.Анализ условия задачи. Знакомятся с условием. Тип задачи не узнаваем. Ответ: - Задачу решить прежним способом нельзя. Оценка Наводящие вопросы: -О чём идёт речь в данной задаче? - Что изменилось в условии задачи? Ответы: - В теплообмене участвуют три тела: вода, котелок и дрова. - Не вся выделившаяся энергия поглотилась водой и котелком. Запись краткого условия. Ориентация Вопросы: - Применимо ли уравнение теплового баланса в данном случае? - Решали ли вы раньше задачи на расчёт КПД? -Каким образом можно применить знания о КПД при решении данной задачи? - В чём будет заключаться физический смысл полезной и затраченной энергии? - Можно ли использовать прежний Ответы: - Нет, т.к. количество выделившейся энергии не равно количеству поглощённой. - Подобные задачи решались в 7кл. при изучении темы «КПД при совершении механической работы». - Если можно заменить в формуле КПД работу на энергию, то задачу можно решить, используя формулу КПД, которая примет вид: Q полезное η = —————×100% Q затраченное Ответы: -Энергия, полученная водой и котелком - полезная. -Энергия, выделившаяся при сгорании дров – затраченная. -Нет, нужен другой алгоритм, который позволит решать задачи с 10
алгоритм для решения данной задачи? учётом КПД. Принятие решения. Предложение учителя: - Давайте вместе составим на основе имеющегося новый алгоритм решения задачи с учётом КПД. Анализ полученного результата. - Почему ответ данной задачи отличается от предыдущего? Действия учащихся: Составляют алгоритм под руководством учителя. Самостоятельно записывают формулу КПД для теплового процесса, которая примет вид: C в m в Δt + C а m к Δt η = ————————×100% qm д Выражают искомую величину: (С в m в Δt+ C а m к Δt )×100% m д = —————————— q η При подставлении значений получают ответ 92г. Проверяют размерность единиц измерения. -Т.к. не вся выделившаяся энергия идёт на нагревание воды в котелке, а её достаточно большая часть уходит в окружающую среду, то увеличивается и масса дров.
Анализируем ответ и сравниваем его с ответами предыдущих задач:
1задача – 52г 2задача – 55г 3задача – 92г Получается, что при различных условиях теплообмена необходимо различное количество дров. Учащимся предлагается выбрать ту задачу, которая более приемлема к реальным условиям. Они выбирают третью. Выбор объясняется тем, что: 1) воду нужно нагревать в каком-либо сосуде, а следовательно затраты энергии увеличиваются; 2) часть выделившейся энергии (от любого источника энергии) обязательно поглощается окружающей средой. Выше представленные задачи (или подобные) предлагаются на одном из уроков решения задач по теме «Теплота». Все три задачи решаются у доски учащимися. 11
Прежде чем решить подобные задачи, ученики должны решать задачи на применение формул: Q = Сm  t и Q = qm, должны уметь пользоваться таблицами удельной теплоёмкости тел и удельной теплоты сгорания топлива. Три задачи - три различных условия. Но изменяются не только условия задач, изменяются требования к деятельности учителя в процессе обучения решения задач. Учителю необходимо быстро адаптировать учащихся к новым условиям задач. Чтобы процесс адаптации прошёл успешно, необходим плавный переход от простых задач к более сложным. Читая условие второй задачи, ученики знакомятся с новой ситуацией, анализируют её, сопоставляют с предыдущей и выясняют, что в теплообмене участвуют три тела. Если в классе есть сильные ученики, то, как правило, именно они предлагают дальнейший правильный ход решения задачи и решают её автоматически, ни слова не говоря об алгоритме. А вот слабые ученики отталкиваются от общего алгоритма, более внимательно анализируя 2 и 5 пункты. Именно на данном этапе учитель должен правильно направить действия учащихся. Именно ученики (а не учитель) должны правильно записать уравнение теплового баланса, вывести искомую величину и рассчитать её. Решение третьей задачи оказывается сложным даже для сильных учеников. Дело в том, что отдельной темы и отдельного урока на расчёт коэффициента полезного действия (КПД) в 8 классе нет. Лишь в последних параграфах темы «Теплота» при изучении темы «Тепловые двигатели» говорится о значениях КПД двигателей и способах его расчёта. Предлагаемые задачи решаются раньше. Этот приём эффективен, т. к. понятие «КПД тепловых двигателей» воспринимается как «что-то знакомое». В первый момент ни у кого нет никаких предложений по решению данной задачи. Ученики вспоминают формулу КПД, его физический смысл, но не могут осмыслить взаимосвязи между КПД и энергией. В данном случае ситуация кажется безвыходной. Именно здесь подводится мысль учащихся к тому, что её надо решить логическим способом, позволяющим объяснить заданную ситуацию и осуществить решение задачи на качественном уровне. Это означает, что, рассуждая, учащиеся (после наводящих вопросов, заданных учителем) делают вывод: количества поглощённой и выделенной энергий не одинаковы ввиду отсутствия изолированных систем в природе. Неосуществим процесс, в результате которого происходила бы передача энергии от одного тела к другому без каких-либо других изменений в природе. И именно по законам природы поглощённая энергия при теплообмене всегда меньше выделившейся. А п Формула η = —— ×100% из курса 7кл. будет справедлива и для процессов теплообмена, но А з Q п приобретёт другой вид: η = ——— ×100% Q з С этого момента в классе «лес» рук, ученики начинают работать. Самостоятельно, без помощи учителя, делают выводы, что Q п = Q 1 + Q 2 (энергия, поглощённая водой и котелком), а Q з = qm (энергия, выделившаяся при сгорании дров). Начало самостоятельной деятельности учащихся является критерием адаптированности к новому условию задачи. Следовательно, адаптация начинается во время знакомства с новой ситуацией. Познакомившись с новыми условиями, учащиеся оценивают ситуацию. Пытаются сориентироваться в ней и принимают решение. Решив данные задачи, сделав полный анализ полученных результатов, учащиеся приобретают учебный опыт решения задач - систему знаний, умений, навыков, приобретённых в процессе организованного обучения и воспитания. В середине восьмидесятых годов был проведён ряд исследований по выявлению усвоения умения решать задачи по физике. В выполненных исследованиях изучена степень усвоения учащимися отдельных операций, входящих в умение решать задачи, установлено, 12
что 30-50% учащихся различных классов указывают на отсутствие у них такого умения. За два десятка лет ситуация не изменилась. Неумение решать задачи является одной из основных причин снижения успеха в изучении физики. Проведённые исследования показали, что неумение самостоятельно решать задачи является основной причиной нерегулярного выполнения домашних заданий. Только небольшая часть учащихся овладение умением решать задачи рассматривает как одно из важнейших условий повышения качества знаний по физике. Такое состояние в практике обучения можно объяснить отсутствием чётких требований к формированию данного умения и чёткой программы. В связи с решением проблемы формирования обобщённых умений возникает необходимость в формировании обобщённых знаний о сущности, структуре учебной задачи и методах её решения. В определении системы задач, в реализации их воспитывающей и развивающей функций решающую роль играют сборники задач. В настоящее время в моём распоряжении имеется около 20 сборников задач, пособий разных авторов, различных издательств. Задачи из всех имеющихся сборников можно классифицировать по различным признакам: по степени трудности, способу решения, характеру содержания, способу выражения условия задачи, по роли в формировании физических понятий и т. д.
Способы решения физических задач

логический математический экспериментальный

арифметический алгебраический

геометрический графический
13