Методика формирования знаний учащихся по теме «Закон Ома» в 8 кл. физ-мат. профиля

В качестве целей моего доклада я могу выдвинуть следующее:

1. Показать, что далеко не все учебники и пособия, которыми пользуются наши учащиеся на уроках и во время самоподготовки соответствуют требованиям к физическому образованию.
2. Показать, что недопустимо формировать у учащихся «кроссвордные знания» (которые знаниями в полном смысле этого слова не являются).
3. Продемонстрировать, как можно использовать в учебном процессе новейшее цифровое демонстрационное оборудование в сочетании с оборудованием 50–60-х гг.
4. Аргументировать актуальность разработки моей методики, раскрыть её новизну.

1.  Требования к физическому образованию и методике обучения физике.

Целями физического образования являются:

1. формирование у учащихся знания о реальном физическом мире должного качества: научные, прочные, глубокие, системные и действенные;
2. формирование научного мировоззрения;
3. формирование научного мышления.

Сами собой не будет выполнена ни одна из этих целей. Поэтому необходимо изучать каждую тему курса физики, опираясь на следующее:

1. «…всё новое познаётся при сопоставлении с нашим прежним опытом. Мы мыслим, строя модели в своём сознании и проверяя их опытом. Этим процесс познания отличается от информированности, осведомлённости» [1]. Иными словами, в процессе обучения необходимо опираться только на тот материал, который был учащимися ранее изучен. Это обеспечивает системность знаний и их научность.
2. «Не то дорого знать, что Земля кругла, а то дорого знать, как люди дошли до этого». Речь идёт о том, что недопустимо передавать «знания» в готовом виде, то есть формируя в головах учащихся «сборник информации для разгадывания кроссвордов», после чего они выдают это за знания, находясь в полной уверенности, что это именно так. « Можно передать какую-то информацию, но нельзя, как это нередко утверждается, просто передать «готовые знания» [1]. Важно не столько «напичкать учащихся астрономическим количеством информации», сколько провести их по «пути» к знаниям. В противном случае «готовые знания» становятся в сознании учащихся «бестелесной формой вещей», а затем забываются напрочь за несколько дней.
   В связи с этим при формировании знаний необходимо опираться на научный метод познания Г. Галилея. Галилей выдвинул четыре фазы процесса познания: 1) чувственный опыт, 2) интуитивное выдвижение гипотезы в виде аксиомы, 3) математическое или логическое развитие аксиомы и вывод логических следствий, 4) экспериментальная проверка гипотезы и вытекающих из неё следствий. Пункты (3) и (4) могут меняться.
3. Важно применять как эмпирические (экспериментальные) методы изучения природы, так и теоретические. Это можно делать двумя способами: 1) Теоретически доказать выводы, к которым мы приходим на основании результатов эксперимента, 2) Проверить экспериментально выполнение теории. На мой взгляд, методическая ценность и первого, и второго подхода одинакова, и каким из них пользоваться на данном уроке остаётся на усмотрение учителя.
4. Источником знаний человека является его мышление. Опыт, книга, голос учителя являются всего лишь источниками информации, необходимой для того, чтобы работал мозг. То есть для того, чтобы формировались знания, необходима работа мозга, обрабатывающего полученную информацию. От того, КАК она будет обработана, зависит успех в формировании знаний.
5. Источником знаний человека является его мышление. Эксперимент даёт восприятие информации на чувственном уровне, в большинстве своём зрительном. Поэтому эксперимент на уроке необходим, и по возможности его нужно проводить. Но, ещё раз обращаю внимание на то, что источником знаний он не является, поэтому для формирования знаний он не достаточен.

2.  Тема «Закон Ома для участка цепи постоянного тока» в программе курса физики средней школы.

Эта тема входит в состав раздела «Электродинамика». В 8 классе до этой темы изучается следующее:

• Электризация тел. Электрический заряд. Два рода зарядов.
• Взаимодействие заряженных частиц.
• Проводники и непроводники электричества.
• Электрическое поле.
• Делимость электрических зарядов. Электрон. Строение атома.
• Электрический ток. Источники электрического тока. Действия электрического тока.
• Электрическая цепь и её составные части.
• Характеристики электрической цепи (сила тока, напряжение и сопротивление) и их измерение. Реостаты.

Поскольку учитель при подаче материала должен опираться на пройденные темы, то базовым материалом для изучения закона Ома является перечисленный. Именно на него и необходимо ориентироваться.

3.  Традиционная методика изучения темы.

Сначала напоминают учащимся, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение зарядов в электрическом поле. Вспоминают, что действие электрического поля характеризуется напряжением*. Выдвигают мысль: «Чем сильнее действие электрического поля, тем, очевидно, и больше сила тока». На основании (*) выдвигается гипотеза: «сила тока зависит от напряжения».

Зависимость силы тока от напряжения устанавливают экспериментально. Собирают цепь, как показано на рисунке 1 и делают вывод: «Во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к одному и тому же проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нём». Строится вольт-амперная характеристика металлического проводника.

Рис. 1

Обращают внимание на то, что при проведении опыта сопротивление проводника не менялось и что «при проведении любых экспериментов по установлению зависимости одной величины от другой все остальные величины не должны меняться», иначе «установить зависимость будет сложнее».

Зависимость силы тока от сопротивления изучают также экспериментально. Для этого собирают цепь, как показано на рис. 2.

Рис. 2

Изменяя сопротивление цепи, фиксируют получающиеся показания амперметра. Результаты заносят в таблицу и строят график зависимости силы тока от сопротивления.

Однако чаще всего ограничиваются другим, более простым экспериментом. Собирают цепь, состоящую из источника питания, ключа, лампы и реостата (либо переменного резистора). Изменяя сопротивление переменного резистора (реостата) наблюдают изменение яркости нити накала лампы. На основании наблюдений приходят к выводу, что чем сопротивление участка цепи больше, тем меньше сила тока.

Формулируется закон Ома. Обращается внимание учащихся на то, что сопротивление проводника НЕ ЗАВИСИТ от силы протекающего по нему тока и напряжения на его концах. Решаются качественные и количественные задачи. Выполняются лабораторные работы «Регулирование силы тока реостатом», «Измерение сопротивления проводника при помощи амперметра и вольтметра».

4.  «Плюсы» и «минусы» традиционной методики.

К плюсам можно отнести следующее:

1. Наличие экспериментальных методов изучения природы.
2. Наличие поисковых методов формирования знаний, а не передача их готовыми».
3. Использование ранее изученного материала.
4. Обучение графическому представлению информации.
5. Обучение методики экспериментального получения (или проверки) зависимостей одной величины от другой.

К «минусам» можно отнести следующее:

5.  Предлагаемая методика изучения темы.

Выдвинем гипотезу: раз сила тока, напряжение и сопротивление являются основными характеристиками цепи, значит есть непосредственная связь между ними. При этом подойдём к этой проблеме так: попробуем это проверить экспериментально, а затем логическим анализом докажем, что данные эксперимента полностью подтверждают теорию либо опровергнем это.

Для проведения эксперимента соберём цепь, состоящую из источника питания, ключа, магазина сопротивлений. С помощью магазина сопротивлений будем изменять активное сопротивление участка цепи. Силу тока в цепи и напряжение на зажимах магазина сопротивлений будем измерять с помощью цифровых измерителей тока и напряжения “L-MICRO”. Собираем цепь, согласно рисунку 3. Отсоединяем от цепи вольтметр. Изменяя напряжение на зажимах источника тока, снимаем зависимость силы тока от напряжения на магазине сопротивлений (вольт-амперная характеристика проводника). При этом обращаем внимание учащихся на то, что сопротивление необходимо оставлять неизменным.

Отключаем вольтметр от цепи. При неизменном напряжении (рекомендую его установить на максимум) начинаем увеличивать сопротивление. При этом сила тока уменьшается. Таким образом мы снимаем зависимость силы тока от сопротивления.

Результаты экспериментов заносим в таблицы:

Табл. 1

Табл. 2

Строим вольт-амперную характеристику и график зависимости силы тока от активного сопротивления. При этом обращаем внимание учащихся на то, что имеют место погрешности измерений. Таким образом, мы не можем соединять точки на графике. Тогда, проводим прямую и гиперболу максимально близко к экспериментальным точкам. Графики строятся на масштабно-миллиметровой бумаге, и затем вклеиваются в тетради учащихся. Обсуждаются возможные причины появления погрешностей.

Если у учителя в кабинете нет магазина сопротивлений, то можно воспользоваться установкой, изображённой на рис. 3.

Рис. 3

Но, на мой взгляд, эту работу лучше провести в качестве работы специального физического практикума (СФП) (особенно, если количество учащихся не превышает 10 чел) или на кружковых либо факультативных занятиях после изучения темы «Последовательное и параллельное соединение проводников», поскольку при объяснении методики проведения этого эксперимента данный материал используется.

Сопоставляем результаты эксперимента с теорией. К сожалению, математический вывод закона Ома требует знания связи силы тока со средней скоростью движения зарядов, и, самое главное — знания 2-го закона Ньютона. Правомерно этот вывод проводить в 10–11 классах. Я предлагаю заменить математический вывод логическим. Для этого необходимо вспомнить, что:

1. напряжение на участке цепи определяется работой сил электрического поля по перемещению пробного единичного заряда между двумя этими точками, т.е. U = A / q
2. сопротивление участка цепи определяется способностью этого участка препятствовать прохождению по нему зарядов.

На основании определения напряжения проводим цепочку рассуждений.

1. Напряжение — это работа по перемещению зарядов. Чем больше напряжение между двумя точками цепи, тем очевидно большую работу совершают силы электрического поля по переносу зарядов, а значит тем большее число зарядов переносится за одинаковое количество времени. Поскольку сила тока — это величина, которая показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, т.е. I = Δq / Δt значит, чем больше напряжение, тем больше и сила тока.
2. сопротивление участка цепи определяется способностью этого участка препятствовать прохождению по нему зарядов. Значит, чем больше сопротивление, тем меньше зарядов смогут пройти через поперечное сечение проводника за единицу времени, а значит и меньше сила тока.

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что сопротивление проводника НЕ ЗАВИСИТ от силы тока и напряжения, поскольку оно является ХАРАКТЕРИСТИКОЙ САМОГО ПРОВОДНИКА. Величина, обратная сопротивлению называется проводимостью данного проводника.

Закрепляется материал практически также, как и в традиционной методике, только я ещё предлагаю добавить работу СФП «Экспериментальная проверка закона Ома для участка цепи постоянного тока» с использованием различных установок и компьютерных моделей.

6.  «Плюсы» и «минусы» предлагаемой методики.

«Плюсы» могу отметить следующие.

1. Присутствует наглядность, то есть наличие чувственного восприятия.
2. Обучение учащихся работе с масштабом и с графиками экспериментальных зависимостей. Учащиеся могут проанализировать опираясь на графики каждую построенную точку, выявить допущенные недочёты при проведении эксперимента.
3. Наличие поисковых методов формирования знаний, а не передача их готовыми».
4. Использование ранее изученного материала.
5. Обучение графическому представлению информации
6. Обучение методики экспериментального получения (или проверки) зависимостей одной величины от другой.
7. Наличие как экспериментальных, так и теоретических методов изучения природы.

К «минусам» можно отнести следующее:

1. Такой подход слишком затруднителен для учащихся с низкой учебной мотивацией.
2. Необходимо большое количество учебных часов для того, чтобы уложиться в план.
3. Проведение урока затруднительно для учителя, работающего не в кабинете физики, либо если кабинет со слабым оснащением.
4. Очень много времени уходит на подготовку к такому уроку.
5. Мы не можем отметить погрешности на графиках в соответствии с требованиями к оформлению результатов измерений, поскольку расчёт таких погрешностей учащиеся не изучали. Необходимо класс либо заранее к этому уроку подготовить, либо просто «прикинуть» погрешности на графике, не отмечая их.

7.  Связь данной темы с последующими темами.

Дальнейшее закрепление данной темы осуществляется при изучении тем «Последовательное и параллельное соединения проводников» (вывод формул эквивалентного сопротивления последовательной и параллельной цепи, решение задач на последовательное, параллельное и смешанное соединения проводников), «Работа и мощность тока. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца» (вывод формул для работы и мощности тока, количества теплоты, выделяющееся в проводнике при протекании по нему тока), «Электродвигатели» (решение задач на КПД электродвигателя, где требуется использовать формулу для работы тока).

1. Физика в школе. Научный метод познания и обучение / В.Г. Разумовский, В.В. Майер. — М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2007. — 463 с. — (Библиотека учителя физики)
2. Теория и методика обучения физики в школе: Частные вопросы: учебное пособие для студентов педагогических вузов / С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева, Т.И. Носова и др., Под ред. С.Е. Каменецкого. — М.: Издательский центр «Академия», 2000. — 384 с.
3. Методика преподавания физики в средней школе. Молекулярная физика. Основы электродинамики. Пособие для учителей. / Зворыкин Б.С., Коварский Ю.А., куперман Г.Б., Резников Л.И., Шамаш С.Я., Щукин Е.Д, Эвенчик Э.Е. , Под рук. С.Я. Шамаша — М.: «Просвещение», 1975. — 256 с. с ил. (Методическая библиотека школы)
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Учебное пособие для студентов вузов. В 5 т. Т. 3. Электричество. — 4-е изд., стереот. — М.:ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. — 656 с.
5. Перышкин А.В., Родина Н.А. Физика: Учебник для 8 класса средней школы. — М.: Просвещение, 2006. — 190 с.
6. А.В. Запорожец. Психология. Учебное пособие для дошкольных педагогических училищ. Изд. Второе. — М.: Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства Просвещения РСФСР, 1955. — 187 с.