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

Форма невідповідності  «ціль— результат досліду» може варіюватися. Очікуваний у досліді ефект відсутній — «негативний результат». Причиною цього може бути недосконалість техніки постановки досліду (наприклад, слабка чутливість приладів, вплив зовнішніх несприятливих факторів), помилковість гіпотези або методу пошук ефекту й ін. До класичних прикладів експериментів з «негативним результатом» ставиться дослід Майкельсона, ціль якого складалася у виявленні впливу руху Землі на швидкість світла. Очікувалося, що такий вплив має місце. Однак ретельно проведений дослід показав, що рух Землі по орбіті ніяк не позначається на швидкості світла, що фокусується в експерименті. Вона залишалася постійною..

Дослід дає результат, обернений очікуваному. Наприклад, у фізику теплових явищ до кінця XVIII ст. склалося уявлення про те, що теплота  є форма прояву кінетичної енергії частинок речовини. Для кількісної оцінки їхнього зв'язку необхідно було знати теплові властивості речовин, зокрема, як (на скільки) підвищується температура різних матеріалів при підведенні до них однакових кількостей теплоти, тобто фактично мова йшла про вимір питомої теплоємності речовини. Перші її виміри зробив шотландський учений Дж.Блек. В однакові посудини, що перебувають на тій самій відстані від вогню були налиті рівні об’єми води, ртуті. Спостереження велося за швидкістю нагрівання. Блек очікував, що температура ртуті буде підвищуватися повільніше, тому що її маса була набагато більша. Результат експерименту вразив ученого: температура ртуті підвищувалася вдвічі швидше. Згодом це було пояснено залежністю питомої теплоємності хімічних елементів від їхньої атомної ваги: чим важче елемент, тим його питома теплоємність менша.

Результат досліду поряд  з очікуваним включає нові ефекти. Дійсність багатша наших уявлень  про неї, а «діяльність багатша, більш  істинна, чим попередня  її свідомість» (А.Н.Леонтьев). Результати багатьох дослідів виявляються, як правило, більше різноманітними, чим це може припустити експериментатор. Причому несподівані ефекти, що супроводжують шуканим, іноді бувають більше важливими з погляду розвитку наукових поглядів на природу світобудови, чим ті, які планувалось виявити в експерименті.

Такий тип невідповідності  досить розповсюджений. Класичний приклад - дослід Гальвані, у якому дослідження  анатомічних властивостей жаби привело  до виявлення фізіологічної дії  струму. Схожим образом зробив відкриття німецький фізик Т.И.Зеебек явища термоелектрики. Він стискав пластинки сурми й вісмуту один з одним і спостерігав відхилення стрілки струм, що реєструє, приладу. Воно відбувався тільки тоді, коли стиск здійснювалося руками. Незабаром Зеебек зрозумів, що струм виникає завдяки теплу його рук. Тоді він став нагрівати пластинки лампою й одержав набагато більше відхилення стрілки.

Винятковий по науковій значимості «супутній» результат був  отриманий Х.В.Гейгером і Э. Марсденом - вони, досліджуючи розсіювання α-частинок речовиною, установили прогнозовані залежності кута розсіювання від атомної ваги хімічного елемента й швидкості багатша α-частинки, але зненацька виявився факт існування досить великих кутів розсіювання, що доходять до 150°. Результат досліду вимагав глибокого аналізу ідей про будову речовини, що привело Э.Резерфорда до створення моделі атома, що добре пояснювала ефект даного досліду.

Співвідношення «результат — гіпотеза» залежить від першого  співвідношення: висновки, отримані в  підсумку експерименту, дозволяють зробити висновок про гіпотезу дослідження, тобто проаналізувати гіпотезу з погляду встановлених у досліді фактів.

Дослід може блискуче підтвердити гіпотезу. Тому приклад - дослід Герца, що довів факт існування  електромагнітних хвиль, а також дослід Штерна, що став першим прямим підтвердженням молекулярно-кінетичної гіпотези про будову речовини.

Експеримент може спростувати  існуючі припущення й теорії. Так, в XVIII в. панувала теорія теплорода. Проти  неї виступив англійський фізик Б.Томсон (граф Б.Румфорд). Підрахувавши кількість виділеної при свердлінні металу теплоти, він довів, що ніяким «вижиманням» теплорода таку велику кількість теплоти не пояснити. Схожі досліди були пророблені англійським ученим Г.Деві із плавленням шматків льоду тертям.

Дослід сприяє уточненню  існуючої гіпотези. Можна вказати, наприклад, цілу серію експериментів, які привели  до розвитку молекулярно-кінетичної гіпотези про будову речовини: підтверджувальну дискретність речовини, що виявили  дифузію, броунівський рух і т.д.

             Дослід може революціонізувати  систему наукового знання, служити  поштовхом для створення нової  наукової теорії. Один із прикладів  – дослід Гальвакса, у якому  виявлене, що ультрафіолетове випромінювання  розряджає негативно заряджену пластину. Це спричинило експериментальне дослідження частинок, що випускаються металами під дією ультрафіолетового світла. Ними виявилися електрони, що вилітають зі швидкістю, відмінної від нуля. Далі був установлений разючий факт: швидкість електронів, що вилітають, не залежить від інтенсивності світла. При більше інтенсивному висвітленні випускається більше електронів, але швидкість їх не збільшується. Вона залежить лише від довжини хвилі світла: чим коротше довжина хвилі, тим більше швидкість електронів. Для пояснення цього ефекту треба було переглянути класичні погляди на будову речовини й природу світла. М.Планк в 1900 р. висловив припущення, що, можливо, енергія, переноситься випромінюванням невеликими порціями (квантами), пропорційними частоті. Квантова теорія, що використовує цю гіпотезу, вирішила цілий ряд проблем, що виникли в класичній фізиці.

Співвідношення «результат — проблема дослідження» дає підставу для наступних тверджень. Дослід нерідко служить остаточним рішенням наукової проблеми, але в багатьох випадках приводить до рішення лише часткових проблем, що входять до складу загальної або тих, що виводять вчених на нові рубежі експериментальних досліджень. У зв'язку із цим дуже важлива вірна інтерпретація отриманих у досліді результатів. Приведемо конкретний приклад. Дослід Томсона по дослідженню катодних променів поставив перед його автором складне завдання - вирішити, що означають результати експерименту (Дж.Дж.Томсон виявив величезний питомий заряд у негативно заряджених частинок, потік яких утворить катодні промені): чи свідчать вони про нові атоми, що несуть цей заряд, або зовсім інших частинках з масою, багато меншої маси найлегшого атома. Дж.Дж.Томсон зупинився на другому варіанті інтерпретації результатів експерименту й виявився прав. Питомий заряд частинки (електрона) став параметром, по якому можна було її «розпізнати» серед інших частинок— в експерименті вдалося показати, що й інші заряджені частинки матерії теж володіють характерним для кожної з них питомим зарядом.

Отже, історія фізичної науки надає найбагатший матеріал для показу школярам, як відповідно змісту дослідних даних конкретизувалися вихідні або ставилися нові проблеми дослідження, коректувалися сформульовані раніше або висувалися інші гіпотези, уточнювалися або змінювалися цілі експерименту. Систематичний обіг учителя до історії науки (для аналізу методики постановки конкретного фізичного експерименту) і обговорення з учнями питань методології пізнання на основі узагальненої моделі експе- риментального дослідження дозволяють йому підготувати учнів до правильного сприйняття й осмислення дослідних даних.

Методи навчання.

• Усвідомленню школярами  процедури аналізу результатів  експериментального дослідження сприяє насамперед метод проблемного викладення. Хоча при його використанні самостійність в «добуванні» знань мінімальна: учні самі не моделюють спосіб пізнання конкретного явища (у тому числі й експериментальний спосіб дослідження) і не реалізують його на практиці, однак вони спостерігають за тим, як це робить учитель. Педагог коментує процедурну основу методу, в емоційній і образній формі розкриває перед ними особливості його застосування в конкретній ситуації, наприклад, при аналізі проблем, що виникали у випадку постановки конкретного історичного експерименту, описі технічних труднощів і можливих шляхів їхнього подолання, при зіставленні різних інтерпретацій результатів експерименту, порівнянні можливих способів подолання протиріч, що виникли на етапі узагальнення дослідних фактів, і т.п.

Метод проблемного викладу  забезпечує успішність рішення двох найважливіших завдань навчання: формування в учнів активного сприйняття навчального матеріалу й усвідомлення ними процедурної основи формованої дії. Застосування цього методу дозволяє учням одержати повне подання про діяльність дослідника на різних етапах його експериментальної роботи, у тому числі й на завершальному її етапі, де вказується формулювання висновків з даних експерименту.

• Практичне ж оволодіння учнями вмінням самостійно аналізувати  отримані результати, співвідносити  їх з гіпотезою експериментального дослідження і його метою досягається тільки в умовах їх самостійної експериментальної роботи. Але почати цілеспрямоване навчання цьому вмінню доцільно з використання методу навчальних демонстрацій. У сукупності з методом проблемного викладу він дає високий навчальний ефект, тому що хоча постановка демонстраційних дослідів відрізняється від проведення наукового дослідження відносною простотою розв'язуваних проблем, висунутих гіпотез і сформульованих цілей, проте в шкільних демонстраціях практично всі зазначені раніше їхні співвідношення з результатами експерименту мають місце.

Навчальні демонстрації можна супроводжувати фронтальною  бесідою, у тому числі проблемної, спрямованої на формування в окремих  експериментальних умінь, що вчаться, зокрема вміння самостійно формулювати висновки з результатів досліду. Оскільки шкільний демонстраційний експеримент досить різноманітний, він забезпечує необхідні умови для обговорення з учнями всіх можливих варіантів процедури формулювання висновку. Колективний аналіз результатів демонстраційного досліду надає педагогові відмінну можливість не тільки управляти першими самостійними пізнавальними «кроками» школярів, але й зосередити їхню увага на загальних методологічних основах організації дослідження.

У підсумку такої роботи з'являються первісні, але вже  досить узагальнені подання школярів про зміст експериментальних  дій. Її ефективність значно зростає, якщо в навчальний процес включити віртуальні версії шкільного демонстраційного експерименту. Віртуальне середовище комп'ютера дозволяє оперативно видозмінювати постановку досліду, що забезпечує значну варіативність його результатів, а це істотно збагачує практику виконання учнями логічних операцій аналізу й формулювання висновку на основі результатів експерименту.

Первісна практика виконання  цих дій здобувається школярами  в процесі виконання фронтальних  фізичних дослідів, а цілком самостійного експериментального дослідження учнів  завершують їхнє формування. Для його успішності важливо забезпечити  розмаїтість експериментальних завдань, пропонованих школярам для самостійної роботи. Система завдань повинна містити такі різновиди дослідів, які відповідають різноманіттю пізнавальних цілей і допускають різні рівні складності навчальної діяльності школярів. Основні види (відповідно до пізнавальної мети) експериментальних завдань такі:

виявлення матеріальних об'єктів: речовини (різноманітної структурної  організації) і поля;

виявлення й дослідження  їхніх властивостей;

виявлення різних видів  руху (взаємодії) матеріальних об'єктів;

дослідження характеристик  їхнього руху (взаємодії);

дослідження законів  руху (взаємодії).

Аналіз лабораторних завдань, включених у сучасні  підручники й навчальні посібники, показує, що в них представлені в  необхідному обсязі далеко не всі види фізичного експерименту. Безумовний лідер у навчальній практиці - вимірювальний експеримент, а явно недостатньо експериментальних завдань, які мають метою дослідження закономірностей протікання природних явищ. Це у відомій мірі причина тих труднощів, які виникають в учнів при рішенні експериментальних завдань, побудованих на аналізі зв'язків між явищами (об'єктами, процесами).

• Форми організації  навчальних занять, спрямовані на розвиток в учнів досліду самостійного експериментування, досить різноманітні. Нижче наведений їх досить повний перелік, складений з урахуванням сучасних тенденцій комп'ютеризації навчального процесу:

• урок, у зміст якого входять демонстраційний експеримент і короткочасні фронтальні досліди учнів, або інші практичні роботи;
• фронтальна лабораторна робота:
• домашній лабораторний практикум;
• фізичний практикум;
• комп'ютерний лабораторний практикум;
• міжпредметний лабораторний практикум на базі шкільного фізичного кабінету;
• урок колективного навчального дослідження;
• творчий лабораторний практикум;
• індивідуальне навчальне дослідження;
• практикум по технічному моделюванню;
• комп'ютерний практикум по моделюванню фізичного експерименту;
• заняття в майстерні (проектування, складання й настроювання встаткування для шкільного кабінету фізики).

Кожна форма занять має свій спектр можливостей у розвитку самостійності дітей в експериментальному дослідженні. Ріст рівня їх експериментальної підготовки дозволяє використовувати й ті форми навчання, які припускають виконання розгорнутих навчальних досліджень і високий рівень творчої активності. Але самостійне узагальнення накопиченого пізнавального досліду навіть за умови його цілеспрямованого придбання під керівництвом учителя для більшості учнів - складна проблема. Учителеві варто спеціально звернути увагу школярів на найбільш загальні елементи, з яких «складається» формоване вміння. Система таких елементів може бути запропонована їм у готовому виді, але можна організувати й колективний пошук цих елементів за допомогою питань, що направляють розумову діяльність учнів. У підсумку буде побудована узагальнена модель аналітичної діяльності експериментатора на етапі формулювання висновку з результатів проведеного дослідження; наприклад, така (це розроблений автором варіант):