СПОСОБ ОБУЧЕНИЯ УЧАЩИХСЯ ПО РАЗДЕЛУ КУРСА ФИЗИКИ Российский патент 1998 года по МПК G09B23/06 

Изобретение относится к развивающему обучению, а именно, к обучению при освоении учебного материала по определенному разделу курса физики. Изобретение относится также к развитию индивидуальных способностей учащихся и приобретению ими практических навыков решения задач по физике, электротехнике, математике, химии и другим учебным предметам.

Так, например, при решении задач по физике и разделе "Электростатика" требуются знания основных физических величин: электрического заряда, силы взаимодействия зарядов, напряженности электрического поля, работы электрического поля при перемещении заряда и т.д., а также - знания по применению закона Кулона и т.п.

Трудности возникают при запоминании обозначений и единиц измерения физических величин, основных формул, рассматриваемых в пределах одного или нескольких разделов курса физики. Кроме того, учащиеся не всегда умеют конкретизировать тот или иной физический закон применительно к ситуации, описанной в задаче.

Облегчить усвоение учебного материала и решение задач учащимся могут составленные заранее преподавателем схема или алгоритм, текст которых, предварительно напечатанный на отдельных листах, раздается на занятиях. Как правило, подобные алгоритмы раскрывают логику рассуждения в ходе решения задачи и называется алгоритмами распознавания.

Известно обучение усвоению учебного материала и решению задач на применение закона электромагнитной индукции, включающее совместное заполнение преподавателем с учащимися таблицы, содержащей обозначения и основные расчетные формулы /Ваганова И.П. Анализ задач на применение закона электромагнитной индукции. Физика в школе, 1990, N 6/. Таблица состоит из двух частей, одна из которых - основная, содержит расчетную формулу закона электромагнитной индукции и рекомендации работы с ней. Таблица имеет пояснения к расчетным формулам, которые выделены в отдельные, горизонтально расположенные графы. Следует отметить, что все рекомендации касаются работы с одним физическим законом. Каждая из рекомендаций расположена в отдельных, горизонтальных графах.

Первая рекомендация основной части таблицы относится к записи учащимися расчетной формулы и последовательному определению числа неизвестных величин, входящих в формулу закона. Определение неизвестных величин предлагается путем анализа изменения значений искомой величины. Так, например, если неизвестно изменение значения магнитного потока, то нужно проанализировать, за счет чего происходит это изменение. Дальнейшее обучение направлено на определение оставшихся неизвестных величин с использованием логического соотнесения между собой физических величин, характеризующих дополнительные физические процессы, выражаемые другими физическими законами. После нахождения физических величин при помощи расчетных формул предлагается подставить найденные выражения в основное уравнение и решить полученное уравнение относительно неизвестной величины. Последняя графа основной части таблицы содержит рекомендации по оценке реальности полученного ответа и результата в случае изменения исходных данных задачи.

Вторая, дополнительная часть таблицы состоит из параллельно расположенных граф с объяснениями ранее пройденного учебного материала, дополняющими и уточняющими понятия, отраженные в формуле закона.

Обучение решению задач ведется с применением указанной таблицы. Предварительно конкретизируют физический закон, который предполагается применить при решении задачи. Для этого преподаватель должен напомнить формулу, например, Ф = B•S•cosα. Затем подробно рассматривают примеры, иллюстрирующие изменения каждой из физических величин. Показывая или напоминая опыты и анализируя тексты задач, сначала без их решения, преподаватель предлагает установить, какая физическая величина изменяется в каждой расчетной формуле и какой из них следует воспользоваться при решении задачи. Затем анализируются более сложные задачи, где требуется определить, например, силу тока в контуре или заряд, прошедший через контур при изменении магнитного поля.

Основная часть таблицы содержит следующие элементы и обозначения:
- основной закон электромагнитной индукции,
- рекомендации по анализу неизвестных величин в формуле,
- рекомендации по анализу каждой составляющей неизвестной величины с приведением дополнительных расчетных формул,
- рекомендации по переходу от одного пункта к другому,
- рекомендации по подстановке найденных выражений в основное уравнение,
- рекомендации по решению полученных уравнений относительно неизвестной величины,
- рекомендации по оценке полученных результатов и их реальности.

Недостатком известного способа обучения является низкая наглядность отображения связи между физическими величинами, анализируемыми в основной части таблицы. Кроме того, много времени требуется на соотнесение нескольких физических понятий, заключенных в формуле, что приводит к непрочному закреплению решения однотипных задач.

Известно обучение учащихся решению задач, включающее совместное заполнение преподавателем с учащимися части таблицы, содержащей обозначения, единицы измерения и основные расчетные формулы последовательно соотнесенных между собой физических величин, выделенных в отдельные, горизонтально расположенные графы и периодическое построение другой части таблицы, содержащей производные от основных расчетных формул, заключенные в параллельных графах (Гуревич Ю. Л., Груденов Я.И. Обучение приемам мыслительной деятельности на уроках физики. Физика в школе, 1993, N 4), выбранное в качестве прототипа.

Сущность известного способа обучения состоит в том, что у учащихся формируют связь мыслей, например, мыслей A и B. Формирование мышления ведется так, чтобы осознание мысли A (вопроса A) почти мгновенно приводило к определенным умственным действиям и влекло бы ответ B. Этого можно добиться либо путем неоднократного повторения друг за другом этих мыслей, либо введением между ними промежуточных указаний к мыслительному процессу, которые облегчат его выполнение и понимание учебного материала.

Например, нужно построить график зависимости координаты тела от его скорости при равномерном движении и условии X_o > 0 и V_x > 0. Для этого требуется выполнить ряд мыслительных операций по составлению плана действия и реализации каждого пункта. Преподавателем совместно с учащимися составляется алгоритм или последовательность выполнения работы, по которым в дальнейшем выполняют определенные задания, например решаются задачи по физике. Составленный совместно с учащимися алгоритм записывается в тетрадь для образования части таблицы. Полученная часть таблицы заполняется поэтапно в две графы: 1. - "шаг" алгоритма, 1а. - пример его применения в конкретной предложенной задаче.

1. АЛГОРИТМ
1а. ПРИМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА
1. Написать формулу зависимости этих величин.

1а. X = X_o + U_x• t
2. Определить, какой математической функцией выражается эта зависимость. Записать ее.

2а. Линейной Y = b + k•X
3. Под физической формулой записать функцию и сопоставить стрелками однотипные параметры.

3а.
4. Вспомнить, как изображается график используемой математической функции.

4а. Прямая, наклоненная к оси абсцисс.

5. Построить по аналогии график физической зависимости.

5а.
По данному алгоритму и образцу, читая последовательно каждый пункт указаний, учащиеся выполняют подобные упражнения - построение графиков зависимости:
1) координаты тела от его скорости при равномерном движении и условиях: а) X_o > 0, V_x < 0, б) X_o= 0, V_x > 0;
2) скорости тела от времени движения при равномерном движении.

Достоинством известного способа обучения по физике является возможность осознанного выполнения действий при решении задач. Алгоритм позволяет учащимся объяснять, а затем выполнять последовательность действий при решении задач.

Недостатком известного способа обучения по физике является небольшой объем усвоения учебного материала темы, объединенного в один алгоритм. В данном случае алгоритм включает одну формулу физической величины и зависимость ее от других величин. Если ввести в известный алгоритм несколько формул разных величин и их зависимостей от других величин, изучаемых в одном разделе или теме, то снизится наглядность в отображении связи между ними и основными формулами. В результате могут возникнуть новые затруднения при решении расчетных задач с помощью заданного алгоритма, увеличатся затраты времени и т.д.

Целью данного изобретения является увеличение объема усвоения учащимися учебного материала, помещенного в одну таблицу, при одновременном повышении наглядности в отображении логической связи между физическими величинами и формулами, а также преодоление трудностей при их запоминании и сокращение затрат времени.

Указанная цель достигается тем, что в способе обучения учащихся по разделу курса физики, основанном на совместном заполнении преподавателем и учащимися первой части таблицы, горизонтальная графа которой содержит обозначение, единицы измерения и основную формулу для расчета физической величины из совокупности логически соотнесенных между собой физических величин и периодическое, поэтапное заполнение второй части таблицы, содержащей в соответствующей графе производную расчетную формулу, согласно изобретению горизонтальные графы заполняют таким образом, чтобы содержание физической величины, расположенной в последующей графе дополняло содержание физической величины, находящейся в предыдущей графе, а вторую часть таблицы учащиеся заполняют самостоятельно, определяя содержание производной формулы для расчета физической величины с использованием основных расчетных формул, записанных в последующих графах, при этом определение производных формул осуществляют в процессе заполнения от двух до трех горизонтальных граф первой части таблицы.

При составлении первой части таблицы у учащихся формируется понятийный аппарат, а при составлении второй части таблицы приобретаются практические навыки по решению расчетных задач. В процессе заполнения второй части таблицы, содержащей производные формулы для расчета физических величин, учащиеся решают 2-4 расчетные задачи с использованием основных и производных формул, и вновь совместно с преподавателем заполняют каждую последующую графу первой части таблицы, включая учебный материал всего раздела курса. Завершением освоения таблицы по разделу учебного предмета является решение задач повышенной трудности.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ обучения учащихся по разделу курса физики отличается от известного тем, что горизонтальные графы заполняют таким образом, чтобы содержание физической величины, расположенной в последующей графе дополняло содержание физической величины, находящейся в предыдущей графе, а вторую часть таблицы учащиеся заполняют самостоятельно, определяя содержание производной формулы для расчета физической величины с использованием основных расчетных формул, записанных в последующих графах, при этом определение производных формул осуществляют в процессе заполнения от двух до трех горизонтальных граф первой части таблицы.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявляемом способе, и признать заявляемое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Заявляемый способ обучения содержит две фигуры. Фиг. 1 - схема "Опорно-логическая структура раздела" представляет логическую последовательность физических величин в пределах одного раздела учебного предмета. Такая схема может дополняться иллюстративным, информационным и дидактическим материалом в объеме выбранного раздела.

Совокупность логически соотнесенных между собой физических величин - фиг.1 переносится в фиг. 2 - таблицу "Освоение раздела курса учебного предмета", представленной в описании на примерах по четырем разделам курса физики. Фиг. 2 - таблица "Освоение раздела курса учебного предмета" прилагается в структурном виде.

Достоинствами таблицы являются доступность изобретения, наглядность содержания учебного материала в объеме отдельного раздела учебного предмета, сокращение времени на приобретение практических умений и навыков по решению расчетных задач путем индукции. Кроме того, использование двух и более таблиц по курсу предмета позволяет успешно решать задачи повышенной трудности, а также развивать логическое мышление, память у учащихся, умение выделять главное и другие личностные качества.

Способ обучения учащихся по разделу курса физики осуществляется поэтапно. На первом этапе преподавателем совместно с учащимися составляется схема "Опорно-логическая структура раздела" с учетом зависимости последующих величин от предыдущих, или на вводных уроках перед изучением раздела учебного предмета учащихся предлагается подготовленная, разработанная преподавателем схема. Число изучаемых элементов - величин в схемах опорно-логических структур различно, оно зависит от содержания учебных программ по предмету.

В прилагаемых схемах и таблицах представлены различные разделы учебной программы курса физики.

Пример 1.

Таблица по разделу "Основы термодинамики" содержит логическую последовательность 23 величин - от массы вещества до максимального значения КПД.

Пример 2.

Таблица по разделу "Электростатика" представлена от электрического заряда до электроемкости - 11 физических величин.

Пример 3.

Таблица по разделу "Магнитное поле" включает 11 величин - от длины участка проводника до силы Лоренца.

Пример 4.

Таблица по разделу "Электромагнитная индукция" - это логическая последовательность от площади поверхности до энергии магнитного поля - 11 величин.

На втором этапе изображается таблица "Освоение раздела курса" /фиг. 2/ с указанием названий вертикальных граф: номер по порядку /N п/п/, название величины, обозначение величины, единицы измерения величины, основные формулы, производные формулы - 6 граф.

На третьем этапе организуется заполнение первой части таблицы, включающей сведения об обозначении, размерности и основной расчетной формуле для соответствующей физической величины; первоначально определяется порядок следования физических величин в горизонтальных графах таблицы. На данном этапе возможны два подхода к заполнению таблицы:
1/ запись всех величин согласно схемы опорно-логической структуры раздела,
2/ последовательная запись одной или нескольких величин согласно схемы опорно-логической структуры раздела.

Так, при освоении раздела "Электростатика" может быть представлена запись опорно-логической структуры раздела полностью по всем горизонтальным графам с указанием порядкового номера и названия величины, а при изучении раздела "Магнитное поле" сначала заполняются горизонтальные графы 1-4 - от длины проводника до максимальной силы, затем - горизонтальные графы 5-10 - от модуля вектора магнитной индукции до силы Ампера, далее - горизонтальная графа 11 - сила Лоренца и, повторяя от модуля вектора магнитной индукции в вакууме, до магнитной проницаемости среды - горизонтальные графы 5, 7. Выбор данных подходов определяется методикой обучения.

Записав порядковый номер и название физических величин, начинается их освоение в процессе обучения или самостоятельной работы, которое завершается заполнением первой части таблицы.

На четвертом этапе проводится закрепление теоретических знаний и решение расчетных задач с использованием основных формул.

Рассмотрим пример задачи.

Выразите в градусах Кельвина значение температуры 23^oC.

Решение:
С помощью таблицы "Освоение раздела "Основы термодинамики" курса физики" проводится запись условия задачи, используя горизонтальную графу 2 - буквенное обозначение, единицу измерения: t^o=23^oC. Решение проводится с использованием основной формулы: T=t^o+273^o. Вычисление: T = 23^o+273^o=296 K. Ответ: T = 296 K.

На данном этапе обращается внимание на запоминание основных физических величин, обозначений, единиц измерения, основных формул.

На пятом этапе начинается запись производных формул - второй части таблицы и проводится решение расчетных задач с использованием производных формул, которое включает применение двух и более основных формул в пределах одного раздела.

В процессе освоения раздела курса физики возможны варианты заполнения первой и второй частей таблицы при освоении одной или нескольких величин. Рассмотрим это на примере раздела "Электростатика". Совместное заполнение горизонтальных граф в таблице проводится путем дополнения содержания каждой последующей величины содержанием предыдущей и вывода содержания предыдущей величины из расчетной формулы последующей, для этого первую горизонтальную графу заполняют, начиная с понятия величина электрического заряда, во второй графе переходят к понятию величины расстояния между зарядами, в третьей и четвертой - электрической постоянной и силе взаимодействия между зарядами соответственно, после этого учащиеся самостоятельно заполняют вторую часть таблицы, содержащую производные от основных расчетных формул, они выводят первые четыре графы второй части таблицы, последовательно переходя от первой графы к четвертой с одновременным решением двух-четырех задач по каждой из основных или выведенных ими производных формул, вновь заполняют каждую последующую графу первой части таблицы путем соединения содержания понятия графы 4 с содержанием понятия графы 5 - величины напряженности электрического поля, затем - графы 6 - величины диэлектрической проницаемости среды, затем - графы 7 - величины работы электрического поля, затем - графы 8 - потенциальной энергии заряда в однородном электростатическом поле, и завершают совместное заполнение таблицы содержанием графы 9 - величины потенциала электростатического поля, графы 10 - разности потенциала и графы 11 - электроемкости, при этом в ходе заполнения от двух от трех последующих граф первой части таблицы выводят производные формулы, расположенные в последующих графах первой и второй части таблицы.

Заявляемый способ обучения учащихся по разделу курса физики основан на анализе, синтезе, сравнении, систематизации и классификации учебного материала с применением различных по содержанию таблиц, включающих совокупность логически соотнесенных между собой физических величин. Такие таблицы могут быть обучающими, тренировочными и контролирующими алгоритмами. Возможно применение горизонтальных и вертикальных перфокарт с указанием шаговых действий.

Практикой подтверждено, что заявляемый способ обучения переносим на другие учебные предметы, в которых изучение учебного материала связано с решением расчетных задач - электротехнику, химию, математику и другие. Он применим как общеобразовательных школах, так и в профессиональных учебных заведениях, а также - в высших учебных заведениях - не подготовительных курсах для поступающих в вузы и для самообразования.

Кроме того, заявляемый способ обучения переносим на специальные и технические дисциплины, в которых предусматривается изучение устройства отдельных систем, узлов, деталей и технологических процессов. При этом схема опорно-логической структуры раздела - фигура 1 может быть представлена в виде элементов систем, узлов, деталей.

Пример: двигатель_→ основные части двигателя_→ детали... т.е. последовательность устройства двигателя рассматривается схемой опорно-логической структуры по принципу: от общего - к частному. В процессе обучения таблица заполняется в последовательности заявленного подхода: порядковый номер, последовательность элементов опорно-логической структуры, запись эксплуатационных характеристик деталей, схематичное обозначение деталей, изготавливаемые материалы, технологические процессы и т.д.

При освоении способа обучения возможно вариативное использование таблиц по разделам курса учебного предмета на различных по структуре и типу уроках.

Изобретение может быть использовано для обучения учащихся средних общеобразовательных школ, средних и высших учебных заведений. Вначале определяют порядок следования физических величин в горизонтальных графах таблицы и заполняют ее совместно преподаватель и учащиеся. Первая часть таблицы включает сведение об обозначении, размерности и основной расчетной формуле для соответствующей физической величины. Затем учащиеся самостоятельно и поэтапно заполняют вторую часть таблицы, в которой в горизонтальных графах после основной расчетной формулы они записывают производные формулы. В результате увеличивается объем усваиваемой информации, повышается наглядность и уменьшаются затраты времени на обучение. 2 ил., 4 табл.

Способ обучения учащихся по разделу курса физики, включающий совместное заполнение преподавателем и учащимися первой части таблицы, горизонтальная графа которой содержит обозначение, единицы измерения и основную формулу для расчета физической величины из совокупности логически соотнесенных между собой физических величин и периодическое поэтапное заполнение второй части таблицы, содержащей в соответствующей графе производную расчетную формулу, отличающийся тем, что горизонтальные графы заполняют таким образом, чтобы содержание физической величины, расположенной в последующей графе, дополняло содержание физической величины, расположенной в предыдущей графе, а вторую часть таблицы учащиеся заполняют самостоятельно, определяя содержание производной формулы для расчета физической величины с использованием основных расчетных формул, расположенных в последующих графах, при этом определение произвольных формул производят в процессе заполнения от двух до трех горизонтальных граф первой части таблицы.