Исследуем, проектируем. Интеграция физики и информатики

Работа исследовательских лабораторий и проведение реальных экспериментов занимают особое место в курсе физики основной школы. Ученики получают представление о методах, применяемых в научных исследованиях. Именно в этом возрасте у детей проявляется особый интерес к экспериментальной деятельности. Cодержание школьного предмета «Физика» позволяет поставить много простых и интересных экспериментов, призванных развить умение измерять физические величины. Но прежде необходимо это умение сформировать.

Пропедевтические работы

Этот вид занятий призван познакомить учеников с методами измерения физических величин. При их выполнении дети формируют соответствующие умения, изучают устройство и принцип действия физических приборов.

Первые лабораторные работы связаны со знакомством с динамометром, весами и мензуркой. Приборы используются обычные и самодельные. Но, как и любое средство, они появляются тогда, когда без них не обойтись. Так, знакомство с рычажными весами происходит в ходе решения задачи управления и предсказания массой. Необходимость в градуировке пружин возникает в связи с тем, что возможности взвешивания на весах ограничены. А так как требуется оценить вес в походных условиях, нужно проградуировать резинки или сконструировать безмены. В процессе создания приборов появляются равномерные и неравномерные шкалы, обнаруживается различная точность измерений разными приборами в разных диапазонах.

Уже при проведении работ пропедевтического типа мы устанавливаем связь с предметом «Информатика и информационные технологии». Школьники учатся использовать для расчетов и построения графиков электронные таблицы, а для описания своих исследований – текстовый редактор и средства для создания презентаций. Таким образом, на уроках информатики компьютерные среды изучаются не на отвлеченных примерах, а на обработке результатов физических измерений, описании физических явлений. Это повышает мотивацию, когда современными инструментальными средами ребята овладевают не впрок, «на всякий случай», а обрабатывая результаты физического эксперимента или подготавливая отчет о собственном исследовании. Интеграция с информатикой важна и для физики, потому что отчасти увеличивает количество часов на обработку информации и знакомит школьников с новыми формами, не в ущерб содержанию физики, создавая возможности для содержательного анализа данных.

Разработки имеют двойную направленность. Так, с одной стороны, они выступают как звено в цепи средств, обеспечивающих развитие предметного действия учеников на материале физики. С другой – они призваны обеспечить условия для естественного функционального освоения школьниками таких важных современных инструментов, какими являются офисные приложения (текстовый редактор, электронные таблицы, средства для создания презентаций).

Организация исследовательских лабораторий

Исследовательская лаборатория организуется на базе реального эксперимента, который проводит группа или отдельный ученик. Это возможно в двух формах: как общеклассные (коллективные) экспериментальные работы и как групповые и/или индивидуальные исследования. От этапа к этапу самостоятельность школьников возрастает.

В начале работы лаборатории учитель ставит конкретно практическую задачу, которая в результате обсуждения превращается в учебную. Вместе с учениками он разрабатывает исследовательский эксперимент и делит работу между группами. При этом важно, чтобы количество детей в группах было достаточным для проведения и фиксации измерений. Первоначально в совместном обсуждении определяются функции, которые необходимо осуществить для реализации эксперимента. Число учеников в группе равно количеству функций.

Данные, полученные в группах, соединяются в один массив и обрабатываются в электронных таблицах на уроках информатики. Обработка на компьютере не самоцель, это нужно для того, чтобы организовать дальнейшие обсуждения и поставить новые задачи.

Завершающий этап – выполнение групповых и индивидуальных исследований, темы которых выявлены на этапе обсуждения общеклассных экспериментальных работ. Индивидуальные исследования выбирают те ученики, степень самостоятельности которых высока, и они уже готовы к такому виду деятельности. Выполнение работ происходит на уроке физики, а оформление результатов, отчет о работе – на уроке информатики. Представление результатов работы происходит на конференции. Результаты оцениваются жюри, одноклассниками.

Организация пропедевтических работ «Измерение физических

величин»

Общеклассный эксперимент:

градуирование пружин;

взвешивание малых тел;

расположение тел из школьной лаборатории в порядке возрастания плотности.

Коллективные работы связаны с измерением массы посредством рычажных и пружинных весов. При этом отрабатываются все элементарные операции, связанные с выполнением и оформлением практических работ.

Ученикам необходимо провести измерения массы нескольких тел, подобранных так, что с помощью одного прибора это сделать невозможно. В группах ребята градуируют различные пружины, резинки, самодельные безмены и измеряют массу тел, сравнивая результаты с эталонным прибором (например, электронными весами). Затем они оформляют свои исследования и сообщают результаты на конференции, где и подводятся итоги работы лаборатории.

Этапы работы

Урок № 1. Физика

Традиционную работу «Измерение массы тела с помощью рычажных весов» мы начинаем с вопроса: «Знаете ли вы массу вашего сотового телефона?» Прежде чем ответить на этот вопрос, нужно разобрать правила взвешивания. Затем переходим к выполнению лабораторной работы «Взвешивание малых тел».*

Уроки № 2, 3. Информатика

Существенная деталь: строить графики с помощью электронных таблиц начинаем только после того, как они появились на доске и в тетрадях. В частности, на примере взвешивания гороха показываем, как вносить данные в таблицу, как рассчитывать значения по формулам, использовать автосуммирование. Кроме того, дети отрабатывают основные приемы форматирования данных и строят точечную диаграмму зависимости массы гороха от количества горошин. Также они знакомятся с операцией Автозаполнение и правилами построения диаграмм.

Уроки № 4, 5. Физика

На физику ученики возвращаются с готовыми графиками и отвечают на вопросы. Проверка усвоения материала осуществляется с помощью самостоятельной работы.

Уроки № 6, 7. Физика

Здесь уже появляются новые способы измерения величин. Способы деятельности осваиваются не впрок, а по мере надобности. В частности, создавать пружинные весы для взвешивания мы начинаем тогда, когда лабораторные весы по каким-либо причинам нам не подходят. Например, пенопластовое тело неправильной формы не помещается на чашку весов или масса тела (камня) больше всех разновесов. Возникает необходимость в градуировке пружины.

Первая работа – традиционная: градуирование школьного динамометра. Оказывается, что камень с его помощью мы взвесить можем, а вот для взвешивания пенопласта этот прибор не годится, потому что пружина растягивается лишь на одно деление. Так возникает необходимость градуировки нескольких пружин.

Для выполнения работы класс делится на группы, каждая из которых градуирует одну из пяти пружин набора. Затем с помощью проградуированной пружины определяется вес тел.

Урок № 8. Информатика

Для сравнения пружин удобно использовать графики-помощники. При выполнении групповых и индивидуальных исследований класс разбивается на группы, и каждая группа выбирает тему, по которой она будет проводить исследование:

1. Градуировка первого безмена (рис. 1).

2. Градуировка второго безмена (рис. 2).

3. Градуировка пружин, подбор нужной пружины.

4. Градуировка резинок различной длины и площади поперечного сечения.

5. Создание мерной посуды, измерение объемов тел.

6. Измерение площади однородных фигур взвешиванием.

7. Измерение длины проволоки взвешиванием.

8. Изготовление прибора для измерения объема тел по рисунку.

Безмены и прибор для измерения объема изготавливают на уроках технологии по рисункам из учебников физики XIX века. Правда, для ознакомления с действием приборов ученики пользуются уже адаптированными текстами, которые по этим учебникам сделали старшеклассники в виде HTML-документов.

Все работы выполняются на одном уроке физики. Затем результаты оформляются на информатике, это занимает 2-3 урока. Представление результатов происходит на классной конференции.

Конференция

Ученики выступают с сообщениями о результатах своей работы, которые проецируются на экран. После каждого сообщения ребята письменно отвечают на вопросы и оценивают выступления по предложенным критериям. Ответы фиксируются в контрольном листе (см. Приложение). Это заставляет детей внимательно слушать ответы товарищей, формировать оценочные умения, а учителя – оценить степень понимания материала.

В конце конференции предстоит ответить на вопрос: «Какой из приборов измеряет массу тел точнее (показания приборов сравнивать с показаниями электронных весов)?».

Вопрос этот сложный, он требует тщательного анализа данных таблицы. Кроме весов-пружин, все другие приборы имеют неравномерную шкалу, поэтому точность измерения в разных диапазонах разная. Так, малые массы точнее определяются безменами, а средние и большие – весами-резинками, причем для каждого диапазона массы лучше подходит какая-то одна из резинок. Анализ данных сводной таблицы позволяет сравнить разные приборы и способы, понять, что в каждой ситуации надо выбирать оптимальный. Такая работа позволяет перейти от оценки «лучший» к оценкам «лучший в данных условиях» и «лучший для этого объекта».

Вера ГРУК, учитель физики школы №91 Российской академии образования, Москва