Формирования экспериментальных знаний и умений

Обучение основам экспериментального метода исследования при изучении физики заключается в планомерном ознакомлении обучаемых с данным методом и формирование теоретических знаний и практических умений по проведению эксперимента, т.е. в формировании экспериментальных знаний и умений.

Эксперимент как метод научного исследования (см. § 3, гл. 1, раздел I), включает в себя:

§ формулировку проблемы;

§ выбор предмета исследования;

§ формулировку цели исследования;

§ разработку теории метода исследования и формулировку допущений, которые необходимо осуществлять при его материальной реализации;

§ создание экспериментальной установки;

§ планирование эксперимента;

§ акты наблюдения и измерения с применением соответствующих технических средств;

§ математическую обработку результатов наблюдений и представление результата измерения в компактной форме, удобной для хранения и сопоставлении с другими результатами;

§ анализ полученного результата и вывод.

Таким образом, можно выделить следующие основные этапы формирования знаний и умений у начинающих экспериментаторов по проведению эксперимента:

1) формирование знаний и умений по выбору предмета исследования;

2) формирование знаний об измерительных приборах и умений работы с ними;

3) формирование знаний и умений по планированию и проведению эксперимента;

4) формирование знаний и умений грамотно проводить математическую обработку экспериментальных данных и анализировать результат эксперимента.

Процесс формирования экспериментальных знаний и умений следует начать с практических занятий по формированию знаний и умений грамотно проводить математическую обработку экспериментальных данных. Это связано с тем, что эти знания и умения необходимы также и на этапе разработки теории метода исследования, при планировании эксперимента и анализе его результатов.

Проведение эксперимента невозможно без знаний и умений работы с измерительными приборами. Поэтому следующим этапом является изучение средств измерений. Данный этап может быть реализован при проведении лабораторных занятий по теме «Элементарные сведения об измерительных приборах». Основная цель данных работ – знакомство с общим подходом к формированию умений выполнять измерения с наиболее широко используемыми приборами. В дальнейшем при выполнении лабораторных работ по курсу общей физики студентам придется работать с приборами разной степени сложности, поэтому на пропедевтическом этапе ставится задача не приобрести навыки пользования конкретными приборами, а способствовать формированию у студентов психологической установки на приобретение опыта работы с приборами вообще в процессе обучения.

Этапы формирования знаний и умений по выбору предмета исследования, по планированию, проведению эксперимента и анализу его результата могут быть реализованы на лабораторных занятиях, в процессе решения простейших экспериментальных задач. Методика решения таких задач должна быть аналогична методике проведения научных исследований по физике. В связи с этим, рассмотрим общий подход к формированию умений по решению физических задач и выделим из него квазиалгоритм решения экспериментальной задачи.

§ 3. Физическая задача как средство формирования экспериментальных знаний и умений

Исходя из того, что знание о предметах и явлениях реального мира приобретаются человеком в процессе собственной деятельности, огромную роль при формировании практических знаний и умений в физике играет решение задач.

Решить физическую задачу – это, значит, найти (восстановить) неизвестные связи, физические величины и т. д. [4].

Основными частями сформулированной физической задачи являются ее условия и требования [28].

Условия – это часть задачи, содержащая сведения о физических объектах, явлениях и процессах (известные параметры и функции, характеризующие различные состояния объектов и физической системы в целом; схемы, рисунки, графики, отражающие эти требования). Требования – это часть задачи, в которой указана цель ее решения, т.е. то, что необходимо установить в результате решения (найти неизвестную величину, доказать наличие или отсутствие какого-нибудь свойства или отношения; построить, сконструировать, преобразовать объекты задачи).

Осознание этих основных частей задачи является первым шагом на пути поиска ее решения, однако, информации, приведенной в условии, обычно недостаточно для ее решения. Поэтому необходимо привлечь дополнительные сведения из информационного базиса задачи, который является теоретической основой способа решения. В информационный базис задачи входят основные физические понятия, определения физических величин, физические законы и ранее решенные задачи. Базис считается известным, если из условий и требований явно следуют теоретические положения, лежащие в основе решения задачи. Если же для нахождения базиса требуются дополнительные преобразования условий и требований, то он считается неизвестным. Установление соотношений между условиями и требованиями задачи позволяет отобрать и частично упорядочить ее информационный базис, что ведет к выделению теоретических и эмпирических процедур и приемов, образующих способ решения задачи.

Способ решения задачи – это последовательность действий, выполняемых на основе теоретических положений информационного базиса, применение которых к условиям задачи или к их следствиям (промежуточным результатам) приводит к ее решению. Способ решения конкретной задачи зависит от ее условий и требований.

Возможны два способа нахождения неизвестных величин: экспериментальный и теоретический. Согласно этим двум способам, выделяют экспериментальные и теоретические задачи. В экспериментальных задачах, в отличие от теоретических на опыте, при помощи измерений находят значения величин, необходимые для решения задачи.

Макроструктура деятельности по решению экспериментальной задачи, соответствующая экспериментальному методу научного исследования может быть представлена в виде блок-схемы, приведенной на рис. 23.

Решение задачи начинается с анализа условия задачи и краткой его записи (блок 1). Поскольку в большинстве задач идет речь о реальных физических объектах, явлениях и процессах, то непосредственное применение физических закономерностей для решения таких задач невозможно. Поэтому в процессе анализа реальной физической задачи необходимо раскрыть физический смысл ее содержания, найти или ввести упрощающие предположения и на этой основе переформулировать задачу, т.е. заменить реальные физические объекты, явления и процессы их идеальными физическими моделями. Результатом переформулирования является идеальная модель реальной физической задачи (блок 2). Таким образом, составление идеальной физической модели задачи заключается в следующем:

§ все факторы относящиеся к заданной ситуации делятся на главные, которые следует учитывать и второстепенные, которые на данном этапе решения задачи отбрасываются;

§ выбирается идеальная физическая модель, и формулируются допущения, при выполнении которых будут справедливы результаты, полученные на основе выбранной физической модели;

§ выполняется чертеж или схематический рисунок (по необходимости).

Основой поиска плана решения задачи (блок 3) является идеальная модель задачи, поэтому поиск ограничивается теми идеальными объектами, которые были использованы при построении модели. На этом этапе формулируются рабочие гипотезы. На их основе ведется поиск физических закономерностей, описывающих модель; выделяются физические законы, которые можно применить; проводится сравнение модели задачи с моделями стандартных ситуаций, в которых те или иные физические законы можно использовать. На основании этого определяется идея решения, осуществляется качественное прогнозирование процесса решения и окончательный выбор законов, необходимых для решения. Составляется система уравнений (неравенств), описывающих идеальную модель задачи. Результатом этого этапа является математическая модель исходной задачи (блок 4).

На этапе составления математической модели задачи:

§ указываются законы, которые используются для описания выбранной физической модели;

§ записываются уравнения этих законов;

После этого осуществляется решение математической модели (решение задачи в общем виде) с выходом на данные задачи (для теоретической задачи) или данные, которые можно получить при помощи эксперимента (для экспериментальной задачи) (блок 5).

В случае теоретической задачи далее следует нахождение результатов (блок 9), т. е. числовые расчеты. На этом этапе закачивается ее решение и далее проводится анализ решения и исследование результатов (блок 10).

Выполнение действий предусмотренных блоками 6 – 8 связано с решением экспериментальной задачи. Для экспериментальной задачи выполнение действий предусмотренных блоками 2 – 5 называют разработкой теории метода исследования.

Составление материальной (реальной) физической модели экспериментальной задачи (блок 6) предполагает создание экспериментальной установки для исследования явления в реальных условиях с учетом допущений, сделанных при разработке теории метода исследования. На этом этапе выбираются средства измерения. В случае сложной экспериментальной задачи следует только ознакомиться с готовой экспериментальной установкой и выяснить, при каких условиях ее можно рассматривать как материальную реализацию идеальной физической модели задачи.

На этапе планирования эксперимента (блок 7) следует:

§ определить какие физические величины можно найти в результате прямых (равноточных или совместных) измерений, а какие – в результате косвенных измерений;

§ спланировать порядок проведения эксперимента;

§ провести контрольное измерение;

§ определить погрешности контрольного измеренияи выяснить, можно ли получить конечный результат измерения с удовлетворительной точностью;

§ выбрать метод обработки данных эксперимента;

§ составить таблицы для записи экспериментальных результатов.

Блок 8 – эксперимент и измерение. На данном этапе проводятся измерения в соответствии с составленным планом, их результаты заносятся в таблицы.

На этапе нахождение результатов экспериментальной задачи (блок 9). проводится обработка полученных результатов, с целью получения конечного результата в виде удобном для сопоставления с другими результатами.

Этап анализа решения и исследования результата (блок 10), в познавательном отношении является одним из самых важных и интересных этапов решения задачи. На данном этапе следует выяснить адекватность материальной и идеальной моделей физического явления или процесса, описанного в задаче. Для этого, во-первых, следует оценить физическую правдоподобность полученного результата, сопоставив его с известным справочным данным или результатом, полученным другим методом, во-вторых, оценить влияние различных физических факторов, сопровождающих в действительности исследуемое явление или процесс и, возможно, не учтенных при выборе идеальной физической модели.