Експеримент у фізиці. Формування умінь школярів аналізувати результати експерименту і робити висновки

Такий комп’ютеризований підхід до проведення шкільного фізичного  експерименту розширює обізнаність  учнів з досліджуваними явищами, надає їм впевненості під час  використання сучасних експериментальних  засобів, ознайомлює з передовими способами пізнання, новими інформаційними, навчальними технологіями, сучасними методами контролю за технологічними процесами на виробництві, перспективними методами наукових досліджень, навчає розрізняти реальні та ідеальні об’єкти фізики, створює умови оновлення методики та техніки постановки шкільного демонстраційного експерименту з фізики.

Приклад навчального  фізичного експерименту

Для ілюстрації вище сказаного  пропонується навчальний фізичний експеримент  демонстраційно дослідного характеру, що забезпечує вивчення механічних коливальних процесів та сприяє засвоєнню знань з таких розділів фізики, як акустика, радіотехніка, електроніка, хвильова оптика, фізика атома і ядра. Проведення й постановка відомих традиційних експериментів для вивчення механічних коливань з використанням самописців, пісочниць, крапельниць з метою дослідження закономірностей коливальних рухів мають низку недоліків, пов’язаних в основному з необхідністю виготовлення численних вузькоспеціалізованих, принципово відмінних пристроїв. Використання засобів сучасної електронної техніки дає змогу удосконалити деякі класичні навчальні експерименти.

Розглянемо графічні способи демонстрування залежності координати тіла фізичного  маятника від часу з використанням  комп’ютерної техніки.

Прилади та обладнання:

штатив з лапкою і муфтою;

фізичний маятник (масивне тіло на тонкому металічному стержні  — шпиці); з’єднувальні провідники; змінний резистор (47 кОм); узгоджувальний пристрій (мал. 1), комп’ютер ІВМ РС АТ з інстальованим пакетом ППЗ F(t).

Підготовка демонстрації. Механічно жорстко з’єднують стержень фізичного маятника з віссю змінного резистора, корпус якого закріплюють у лапці штатива так, щоб маятник міг здійснювати коливальні рухи. Для зменшення впливу тертя та забезпечення точності експериментальних даних змінний резистор має бути функціональної групи А (з лінійною залежністю опору від кута повороту). Рекомендований тип змінного резистора — ПТП 1, ПЛ П 1 або інші подібні.

Для забезпечення навчальних якостей  експерименту слід передбачити можливість зміни маси маятника, а також його довжини в межах від 0,2 до 1,5 — 2 м. Стержень можна виготовити зі стального дроту діаметром 1 — 2 мм. Контакти змінного резистора з’єднують гнучкими, скрученими між собою провідниками з вхідними клемами узгоджувального пристрою (мал. 1). Потім цей пристрій з’єднують з портом вводу-виводу комп’ютера ІВМ РС АТ. Розташування компонентів демонстраційної установки повинно забезпечувати одночасне спостереження коливань маятника й експериментальної графічної залежності на екрані дисплея.

Хід експерименту.

Вмикають комп’ютер  і активізують ППЗ «F(t)». Входять  у розділ меню «Make date of process» і згідно з передбаченими ППЗ розділами вводять основні характеристики досліджуваного процесу:

1. Максимально можливе амплітудне значення зміщення маятника Х (см), що передбачається зафіксувати в процесі дослідження. Значення зміщення можна спостерігати по осі ординат.

2. Час одного раунду t (с), що фіксується по осі абсцис. За часом одного раунду визначають час, необхідний для проходження променем робочої частини екрана зліва направо. Дані, відображені на біжучому екрані (сторінці), зберігатимуться в пам’яті. Тривалість одного раунду вибирають такою, щоб можна було детально розглянути зміну параметрів, оскільки ППЗ передбачає роботу в реальному масштабі часу.

3. Літерне позначення досліджуваної  величини, що реєструється на  осі ординат і в подальшому  використовується для опису функціональної  залежності її зміни з часом  «F(t)».

Після вводу характеристик процесу  на екрані дисплея з’являються осі координат із заданими величинами, а також біжучі параметри, що характеризують хід експериментального процесу: час дослідження, миттєве значення досліджуваної величини, номер робочої сторінки та ін. Комп’ютер переходить до режиму реєстрації і збереження даних від датчика, їх обробки і виводу результатів на екран дисплея в графічному вигляді.

Для демонстрування графічної залежності координати фізичного маятника від  часу використовують маятник з якомога  більшою довжиною стержня (для збільшення періоду коливань) і масою вантажу (для зменшення впливу сили тертя). На початку експерименту відхиляють маятник від положення рівноваги і спостерігають синхронні зміщення електронного променя на екрані ЕОМ. Повторюють спостереження для різних значень зміщення маятника. Звертають увагу на те, що під час збільшення миттєвого зміщення маятника спостерігається відповідне більше відхилення електронного променя. На основі цього доходять висновку, що відхилення променя змінюється пропорційно зміщенню маятника від положення рівноваги, тобто його миттєвому зміщенню.

Зміщують маятник від положення  рівноваги на невеликий кут і  відпускають. У процесі дослідження  спостерігають за коливанням маятника і одночасним віддзеркаленням графічної  залежності на екрані дисплея. Експеримент повторюють, змінюючи довжину маятника (стержня). Доходять висновку про залежність періоду коливань від довжини маятника. В разі потреби відтворюють копію графічної залежності на друкуючому пристрої (мал. 2).

Під час розгляду затухаючих коливань масу вантажу маятника слід зменшити. Виводять маятник з положення  рівноваги і, спостерігаючи за його коливаннями і функціональною залежністю на екрані дисплея, звертають увагу  учнів на те, що коливання з часом  припиняються. Крім того, слід звернути увагу на те, що з часом зменшується лише амплітуда коливань , а не їх період, як іноді помилково думають учні.

Для спостереження затухаючих коливань збільшують масу маятника, надають  йому можливість здійснювати вільні коливання, які відбуватимуться протягом тривалішого часу. За графіком коливань доходять висновку про обернену експоненціальну залежність зміни амплітуди коливань з часом (мал. 5).

Після закінчення роботи аналізують результати дослідження, користуючись даними, що зберігалися на запам’ятовуючих пристроях комп’ютера. При цьому використовують розділи меню «Page of process» для посторінкового перегляду досліджуваного процесу або «Show the whole process» для одночасного спостереження всієї залежності на екрані. Покращення демонстраційних та інформаційних якостей можна досягнути, скориставшись сервісними функціями ППЗ «F(t)»: задіяти функціонування, вивести координатну сітку, відтворити зображення в чорно-білому режимі з підвищеною контрастністю для спостереження у великих аудиторіях, задіяти аудіо супровід та ін. Подібний аналіз доцільно проводити з використанням копій, які отримано за допомогою друкуючого пристрою.

ФОРМУВАННЯ  УМІНЬ ШКОЛЯРІВ АНАЛІЗУВАТИ РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТУ І РОБИТИ ВИСНОВКИ

Кожний учитель фізики знає, як складний для учнів етап завершення лабораторної роботи через  необхідність самостійно сформулювати висновки на основі результатів виконаного експериментального дослідження. Лише далеко не всі інструкції до робіт містять вказівки, що допомагають школярам упоратися із цим непростим завданням, причому, як правило, вони повністю орієнтовані на поставлену в експерименті ціль і досить конкретні. Інформації ж про загальні підходи до аналізу результатів досліду як найважливішої складової методологічної підготовки учнів по фізиці звичайно немає й у методичних посібниках, призначених для організації лабораторних занять.

Нерідко учні знаходять  простий вихід для себе зі скрутного  стану. Вони звертаються до вчителя із прямим запитанням: «Який записати висновок?» Це питання найчастіше стає предметом конкретної фронтальної бесіди, що не зачіпає в явному виді методологію пізнання, і здобувається учнями на практичному занятті дослід діяльності не досягає необхідного рівня узагальнення. Як наслідок цього, при проведенні наступних лабораторних робіт самостійний висновок з підсумків проведеного експерименту знову затрудняє дітей.

Представимо на хвилину, що в кожній лабораторній інструкції є система конкретних питань або вказівок, що направляють розумову діяльність учнів на аналіз результатів фізичного досліду й «підсказуючих» їм, яким повинен бути основний висновок. Чи забезпечить це рішення проблеми навчання школярів умінню формулювати висновки за підсумками експериментального дослідження? Позитивна відповідь можлива лише у відношенні найбільш здібних дітей, які можуть самостійно робити необхідні узагальнення методологічного характеру, і то за умови, що склад виконаних ними за шкільний період лабораторних завдань буде охоплювати, принаймні, всі основні типи фізичного експерименту. (При цьому не виключено, що сформовані в їхній свідомості узагальнення будуть далеко не завжди повними; більше того, можливі окремі помилки або неточності в їхньому змісті.) От чому так важливо визначити загальні шляхи й раціональні способи рішення цієї проблеми.

Розглянемо основні  положення методики формування в  учнів уміння самостійно формулювати  висновки на основі результатів експериментального дослідження, особливо ті її аспекти, які сприяють досягненню необхідного рівня узагальненості цього вміння, маючи на увазі, що воно формується в школярів не тільки на лабораторних заняттях.

Зміст шкільного курсу  фізики припускає вивчення досить широкого спектра як фундаментальних фізичних дослідів, так і «рядових», підтверджувальних справедливість законів і теорій фізичної науки. Навчальний експеримент не повинен проводитися «стихійно»: в основі логіки розгляду будь-якого досліду повинна бути узагальнена модель (структура дій) як метод дослідження (див. нижче). Вивчення фізичних дослідів відповідно до узагальненої моделі дозволяє сформувати в учнів так зване «повне знання » про експериментальний базис фізичної науки.

Узагальнена модель фізичного експерименту

1. Сформулювати проблему дослідження.
2. Висунути й обґрунтувати гіпотезу, на основі якої може бути вирішена поставлена проблема.
3. З'ясувати роль експерименту в її рішенні; визначити його загальну мету.
4. Визначити порядок проведення експерименту.
5. Розробити проект експериментальної установки, сконструювати її.
6. Вибрати спосіб реєстрації даних досліду (результатів спостережень і вимірів).
7. Провести експеримент: виконати необхідні спостереження й виміри, зафіксувати їх, оцінити точність вимірів.
8. Проаналізувати отримані результати, сформулювати висновок.
9. Осмислити підсумки експерименту з погляду досягнення мети дослідження. Намітити напрямок (сформулювати проблеми) наступного дослідницького пошуку.
10. Оформити звіт про проведення експерименту (у випадку лабораторного

Експеримент у науці

Етап формулювання висновків у структурі експериментального дослідження займає заключну його частину, але саме в ній увага експериментатора знову фокусується на поставленій науковій проблемі, гіпотезі й меті, що випливає з неї, експерименту, тому що основний зміст цього етапу - аналіз співвідношень:

«результат - ціль»,

«результат - гіпотеза»,

«результат - проблема

дослідження».

Від того, яким буде підсумок зазначених зіставлень, залежить суть висновків, що випливають із досліду, значимість виконаного експериментального дослідження і його роль у рішенні поставленої проблеми.

Співвідношення «результат —ціль» — це фактично порівняння отриманого й очікуваного ефектів. Подання  про ймовірний результат запланованого  експерименту складається під впливом  системи поглядів, що існують у  науці й, безумовно, на основі власних поглядів ученого. Помилки в розумінні природи явищ, особливостей їхнього протікання не виключені. Теоретична позиція дослідника визначає зміст головної ідеї експерименту й багато в чому особливості техніки його постановки. Якщо ця позиція невірна, то його результат найчастіше не збігається з очікуваним.

Два конкретних варіанти розглянутого співвідношення очевидні: повна відповідність і яка-небудь із форм їхньої невідповідності.

Збіг мети й результату досліду — не просто радісна подія  в професійному житті вченого. Це показник завершеності певного етапу  дослідження. Позитивний підсумок переконує в пізнанні світу, дає потужний поштовх до нових наукових пошуків. Але в той же час коло наукових проблем для дослідника не розширюється, а навпроти, стає вже (частина проблем виявляється вирішеною).

Достовірні дослідні факти становлять надійне обґрунтування відповідних наукових теорій, впливають на подальший розвиток науки. Прикладами успішних експериментів можуть служити досліди Галілея по перевірці сталості прискорення вільного падіння тіл; експерименти Джоуля, що визначили кількісне співвідношення між теплотою й механічною енергією й багато хто інші.

Невідповідність фактичного й очікуваного результатів досліду  грає в науці трохи іншу роль. У багатьох випадках воно революціонізує наукові дослідження, оскільки ставить нові проблеми й вимагає оригінальних ідей для їхнього рішення; при цьому уточнюються або спростовуються старі гіпотези, народжуються нові припущення. Навіть просте вдосконалення техніки експерименту з метою (будь-що-будь!) домогтися бажаного результату приводить нерідко до видатних, але споконвічно незапланованим відкриттям. Наприклад, котушка Фарадея, виготовлена їм для посилення шуканого ефекту зв'язку електричних і магнітних явищ, з'явилася прообразом майбутнього трансформатора, роль якого в сучасній енергетиці важко переоцінити. Тому як відповідність, так і невідповідність мети й результатів досліду однаковою мірою значимі для розвитку науки й техніки.