Учебные программы курсов по выбору по биологии, географии, физике и химии Томск 2003
| Вид материала | Пояснительная записка |
- Учебные программы курсов по выбору по биологии, географии, физике и химии Томск 2003, 346.29kb.
- Учебные программы курсов по выбору по истории, обществознанию, экономике, праву и обж, 206.18kb.
- Метапредметные аспекты в преподавании биологии, 103.62kb.
- Литература Введение, 308.58kb.
- Урок-презентация по химии, биологии, географии. Тема урока : «Нефть, состав нефти, 132.15kb.
- Рекомендации расширенного заседания методических объединений учителей химии, биологии,, 16.19kb.
- Темы рефератов по экологии Техногенное рассеяние вещества. Особенность этого явления, 35.34kb.
- Целью предлагаемой программы является формирование единой картины мира на основе представлений, 515.54kb.
- О. Ю. учитель химии, Горюнов А. Е. учитель географии, Жарких Н. В. учитель биологии, 53.71kb.
- Учебные программы курсов истории музыки и музыкально-теоретических дисциплин санкт-Петербург, 2299.02kb.
ТОМСКИЙ ОБЛАСТНОЙ ИНСТИТУТ ПОВЫШЕНИЯ
КВАЛИФИКАЦИИ И ПЕРЕПОДГОТОВКИ
РАБОТНИКОВ ОБРАЗОВАНИЯ
ПРЕДПРОФИЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА
УЧАЩИХСЯ 9-Х КЛАССОВ
Учебные программы курсов по выбору по
биологии, географии, физике и химии
Томск 2003
Предпрофильная подготовка учащихся 9 классов. Учебные программы курсов по выбору биологии, географии, физике и химии. – Томск, ТОИПКРО. - 2003.
Данные материалы предназначены для организации предпрофильного обучения в 9-м классе по биологии, географии, физике и химии.
Под редакцией: доцента, канд. физ.-мат. наук А.И. Купцова; доцента, канд. пед. наук Л.Н. Дударевой.
Рекомендовано к изданию:
Учебно-методическим советом Томского областного института повышения квалификации и переподготовки работников образования
(решение от «17» декабря 2003г.)
©ТОИПКРО,2003
Поиски и открытия физики
(Программа спецкурса по выбору
для предпрофильной подготовки)
Т.В. Суханова
Пояснительная записка
Наука захватывает нас только тогда,
Когда заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий.
Дж. К. Максвелл
Программа охватывает основные исторические периоды развития физического знания, с которыми учащиеся школ знакомятся на уроках. Богатый материал истории физики может быть использован преподавателями для углубленного понимания изучаемых вопросов, усиления интереса к предмету. Использование принципа историзма в преподавании физики имеет большое значение для формирования научного мировоззрения учащихся воспитания у них уважения к жизни и труду ученых, исследователей и изобретателей. В ряде случаев обращение к истории вопроса – единственной средство объяснить суть дела.
Данный курс позволит учителю довести до сведения учащихся то, что наши знания об окружающем мире непрерывно развиваются и совершенствуются, и что современная наука так же далека от завершения, как и много лет назад.
Содержание программы представлено в виде семи блоков, которые рассматриваются в историческом контексте. Первые два блока программы знакомят учеников с необходимыми сведениями о системе единиц измерения и оценкой погрешностей измерения при работе с измерительными приборами. Эти знания крайне необходимы человеку в практической деятельности, а школьнику пригодятся для более глубокого понимания собственной деятельности при выполнении лабораторных и практических работ по физике. У учителей найдется немало примеров из повседневной жизни, производства и науки, для подтверждения важности таких знаний. Другие пять блоков раскрывают историю открытий и судеб ученых, которые внесли большой вклад в развитие механики, молекулярной физики, электродинамики, оптики, квантовой физики и др.
Реализуя с учащимися содержание программы учитель может использовать различные ТСО, аудио- и видеоматериалы, несложные лабораторные или практические работы, а также интересные занимательные задачи.
Программа может быть использована учителями основной школы для проведения занятий по предпрофильной подготовке учащихся девятых классов.
Учебно-тематический план
| № | Тема | Содержание | Ча-сы | Литература |
| 1. | Единицы физических величин в науке и технике. 8 часов | 1.Древние меры. Первые системы единиц и системы единиц прошлого | 2 | 1. А.Д. Власов Единицы физических величин в науке и технике. Справочник, Москва, «Энергоатом-издат», 1990. 2. А.Г. Чертов «Физические величины», Москва, «Высшая школа» 1990. |
| 2. Междуна-родная система единиц (СИ). Основные и производные единицы измерения. Размерность | 2 | |||
| 3. Единицы Международ-ной системы | 2 | |||
| 4. Гауссова система | 2 | |||
| 2. | Оценка точности измерений в физике. 8 часов | 1. Простейшие методы учета погрешностей при измерениях | 2 | 1.В.А. Фетисов Оценка точности измерений в курсе физики средней школы. - Москва, «Просвещение», 1991 . 2. В.П. Демкович, Н.Я. Прайман Приближенные вычисления в школьном курсе физики. - Москва, «Просвещение» 1983. |
| 2.Описание простейших мер, измерительных приборов и учета их погрешностей | 2 | |||
| 3. Статис- тический метод учета погрешностей. Основные понятия | 2 | |||
| 4. Практи-ческое занятие. Решение задач | 2 | |||
| 3. | Экскурс в историю механики. 7 часов | 1. Развитие механики в древности и в средние века | 1 | 1. В.М. Дуков Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Пособие для учителя. - Москва: «Просве-щение», 1983 . |
| 2. Развитие механики в XVI – XVII вв. в связи с борьбой за гелиоцен-трическое мировоззрение | 1 | |||
| 3. Открытие законов свободного падения. Жизнь Галилео Галилея. И его исследования по механике | 1 | |||
| | | 4. История открытия законов динамики. Важнейшие штрихи биографии Ньютона. | 1 | 1. Б.И. Спасский Физика в ее развитии. Пособие для учащихся. - Москва «Просве-щение», 1979. Курс истории физики. Москва «Просвещение» 1974. |
| 5. История открытия закона Всемирного тяготения. | 1 | |||
| 6. К истории принципа относитель-ности | 1 | |||
| 7. История открытия законов: сохранения количества движения и механической энергии | 1 | |||
| 4. | Экскурсы в молекуляр-ную физику. 7 часов | 1. К истории атомистики. | 1 | 1. В.М. Дуков Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Пособие для учителя. - Москва: «Прос-вещение», 1983. 2. Б.И. Спасский Физика в ее раз-витии. Пособие для учащихся. - Москва: «Просве-щение», 1979 . |
| 2. История формирования понятия давления. | 1 | |||
| 3. Развитие учения о теплоте. Первые исследования тепловых явлений. Развитие калориметрических исследований | 1 | |||
| 4. Изобретение термометра. Развитие представлений о темпера-турной шкале | 1 | |||
| 5. Становление уравнения состояния идеального газа и газовых законов. Первые успехи в развитии кинетической теории теплоты | 1 | |||
| 6. История законов термодинамики и применения их в жизни и технике. | 2 | |||
| 5. | Экскурсы в историю электродинамики. 20 часов | 1. Первые сведения об электричестве и магнетизме. Развитие учения об электричестве в 17-18 вв. до изобретения лейденской банки. | 2 | 1. В.М. Дуков Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Пособие для учителя. - Москва: «Просве-щение», 1983. 2. Б.И. Спасский Физика в ее развитии. Пособие для учащихся. Москва, «Просве-щение», 1979 . 3. П.С. Кудрявцев Курс истории физики. Москва, «Просвещение» 1974. |
| 2. Изобретение лейденской банки и первые электрические приборы. Первые теории электричества | 2 | |||
| 3. История открытия закона Кулона. | 2 | |||
| 4. К истории изучения постоянного тока. История изобретения гальваническо-го элемента | 2 | |||
| 5. История закона Ома | 1 | |||
| 6. К истории исследования электрической проводимости веществ | 2 | |||
| 7. Открытие электромагне-тизма | 2 | |||
| 8. К истории открытия явления электромагнитной индукции. Начало развития электротех-ники. | 2 | |||
| 9. Развития теории электромаг-нитного поля. Развитие Максвеллом теории электромагнитного поля | 1 | |||
| 10. Открытие электромаг-нитных волн. История открытия радио. | 2 | |||
| 11. Возникно-вение пред-ставлений об атомистичес-ком строении электрического заряда. Открытие электрона. | 2 | |||
| 6. | Экскурс в историю развития оптики. 4 часа | 1. Первые шаги развития геометри-ческой оптики. | 1 | 1. В.М. Дуков Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Пособие для учителя. - Москва:«Просве-щение», 1983. 2. П.С. Кудрявцев Курс истории физики. – Москва: «Просвещение», 1974. |
| 2. Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической оптики. Оптика Ньютона. | 1 | |||
| 3. Развитие волновой теории света. Открытие принципа спектрального анализа | 2 | |||
| 7. | Поиски и экспери-менты современ-ной физики. 8 часов | 1. Начало развития оптики движущихся сред. История возникновения специальной теории относи-тельности. | 2 | 1. В.М. Дуков Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Пособие для учителя. - Москва: «Просве-щение», 1983. 2. Б.И. Спасский Физика в ее развитии. Пособие для учащихся. Москва «Просвещение», 1979. 3. П.С. Кудрявцев Курс истории физики. Москва, «Просвещение» 1974. |
| 2. Развитие физики атома. Открытие радиоактив-ности. | 2 | |||
| 3. Возникно-вение теории квантов. Открытие фотоэффекта. | 2 | |||
| 4. Основные, перспективные направления развития современной физики: -создание новых мате-риалов; - ядерная физика; - средства связи и др. | 2 |
Методические рекомендации
к курсу «Поиски и открытия физики»
Общие положения
В основе организации профильного обучения лежат два фактора:
1) умение учащихся разработать собственную образовательную программу. Осуществить собственный выбор направления обучения и предварительно сориентироваться в предполагаемой сфере своей будущей профессиональной деятельности.
2) наличие механизма учета выбора учащихся при организации учебного процесса.
Таким образом, возникает потребность в создании новой технологии профилизации образовательного пространства. Данная технология предполагает наличие гибкого пакета элективных курсов, изменяющегося в зависимости от запросов учащихся и коньюктуры рынка труда. Чтобы учащиеся максимально осознанно подходили к выбору профиля обучения их надо этому научить. Целесообразно использовать для этого организацию модульных курсов по выбору. Количество таких курсов нужно увеличивать от седьмого к девятому классу.
В представленной программе «Поиски и открытия физики», реализован модульный подход. Каждый модуль или блок программы имеет относительно завершенный и самостоятельный материал. Он знакомит ученика с некоторыми особенно важными сторонами физики. Хотя каждый модуль – блок программы занимает небольшое количество часов, но этого достаточно, чтобы ученик мог вникнуть в наиболее существенные особенности физической науки: важными историческими фактами и открытиями физики, проблемой унификации физических мер и единиц, способами определения точности результатов научных экспериментов.
Уровень сложности материала учебного курса предполагает возможность создания групп учащихся не только одной параллели, но и разновозрастных. Для обеспечения комплексного характера предпрофильной подготовки учащихся, необходимо при организации занятий на курсах по выбору использовать технологии направленные на самопознание, развитие умений вырабатывать и аргументировать собственное мнение, принимать решения, планировать деятельность ориентироваться в окружающей и трудовой инфраструктуре. Решать на занятиях по выбору профориентационные задачи учитель может с применением современных методов диагностики способностей учащихся, вовлечением родительских ресурсов и учетом особенностей образовательных услуг региона.
Знание физики необходимо при выборе интеллектуальных профессий: научного работника, инженера, специалиста по информационным технологиям и др. Спрос на специалистов энергетиков, авиаконструкторов, радиоэлектронщиков и другие специальности, связанные с физикой, всегда высок.
Формирование исторического взгляда учащихся на проблему становления и развития единой системы физических величин в науке и технике
Главной задачей данного блока программы является проведение исторического обзора, свидетельствующего о наличие настоятельной потребности общества в единой системе единиц физических величин. Развитие метрологии продолжается и посей день имеются проблемы не получившие исчерпывающего решения. Наряду с Международной системой единиц (СИ) в различных разделах физических наук применяется система единиц СГС (гауссова система). Вопрос о сравнительных качествах СИ и гауссовой системы неоднократно был предметом серьезных дискуссий.
Самые ранние дошедших до нас сведений о древних мерах относятся к тому времени, когда уже развились скотоводство и земледелие, возникла письменность, образовались сравнительно большие государства. Самые ранние сведения о возникновении узаконенных единиц появились в Древнем Египте, Передней Азии, в Риме и позднее на Руси. Обращают на себя внимание частые совпадения единиц длины, которые устанавливались у разных народов независимо друг от друга. При выборе этих единиц во многих случаях пользовались одним и тем же источником – размерами человеческого тела. Для примера приведем названия таких величин: локоть, дюйм, ярд, миля, сажень, фунт. Большие расстояния измерялись порой, в весьма своеобразных единицах, в основу которых брались сравнительные особенности каких либо явлений или процессов: пробег лошади, количество выкуриваемых трубок, толщина волос, объем пшеницы и т.д. Разные народности имели очень разнообразные названия древних единиц: талант, дирхама, динар, карат, арура, хотен, ашир, джарип, харвар и др.
Разнобой и хаос в области мер и весов осложнят торговлю, строительство, ведение хозяйства в пределах отдельно взятых стран и тем более в международных делах. Потребность в установлении узаконенных мер была настолько настоятельной, что они вводились постепенно в одной стране задругой, и в первую очередь в наиболее развитых странах.
В Англии узаконенные меры впервые появились в 1494 году, во Франции в 1735. В XVIII в. В России были установлены и узаконены как обязательные несколько измененные меры и веса, применявшиеся очень длительное время, например: вершок (44,45 мм), аршин (0,7112 м), верста (1066,8 м). десятина (1,456 га), шкалик или осьмушка (0,0615 л), лот (12,797 г), фунт (409,5 г), пуд (16,38 кг) и др..
Метрическая система была разработана и первоначально введена в ходе Великой французской революции. В 1789 г. в Национальное собрание Франции был внесен правительственный проект об установлении единой для всей страны мер. Исходя из идей использования естественных и стабильных эталонов длины и веса, комиссия по предложению Лапласа приняла в качестве единицы длины одну десяти миллионную часть четверти длины Парижского меридиана. Этой единице было присвоено название метр от греческого слова µετρον, что означает мера. Впервые название метр ввел в 1675 г. Буратини в книге «Универсальная мера». За единицу веса был принят вес одного кубического сантиметра чистой воды при 4°С – температура ее наибольшей плотности. Эту величину назвали граммом. В качестве единицы времени приняли секунду определенную как 1/86400 часть средних солнечных суток.
Проект Метрической системы был утвержден Национальным собранием Франции 30 марта 1791 г. По завершению измерений меридиана Национальному собранию были представлены платиновые эталоны метра и килограмма, изготовленные механиком Ленуаром. Эти эталоны были утверждены декретом Национального Собрания от 10 декабря 1799 г. и затем переданы на хранение в Национальный архив Франции, почему в последствии получили название архивных метра и килограмма. Когда выяснилась необходимость в единицы массы, за нее приняли массу того же эталона килограмма.
Не последнюю роль в распространении метрических мер сыграли русские ученые. Д. И. Менделеев на первом съезде русских естествоиспытателей в 1867 г. говорил о необходимости «склонить народы к единству мер и весов». На Парижской выставке в 1867 г. под председательством петербургского академика Б.С. Якоби был образован международный комитет весов, мер и монет.
20 мая 1875 г. семнадцать государств, в том числе и Россия, подписали метрическую конвенцию, имеющую целью содействовать международному единству мер. Тогда же было организовано Международное бюро мер и весов, подчиненное Международному комитету. В задачу бюро, в частности входило изготовление копий с прототипов метра и килограмма. За 10 лет было изготовлено 30 эталонов метра и на первой Генеральной конференции мер и весов в 1889 г. созданные эталоны были разделены по жребию между государствами, подписавшими конвенцию. Россия получила два эталона метра: № 11 и 28. Переход России на метрическую систему был официально завершен к 1927 г. Но еще долго имели хождение Фунты, пуды, версты. Вместе с унификацией и узаконением мер и весов возникла задача контроля и правильности их применения. Для этого организовывались специальные государственные учреждения и органы. Так в России в 1893 г. создана Главная палата мер и весов. С 1892 г. ученым – хранителем в ней был Д.И. Менделеев и первым управляющим Главной палаты мер и весов.
В 1832 году К. Гаусс сформулировал научные основы построения систем единиц. Гаусс выбрал в качестве основных единиц длины, массы и времени, а конкретно – миллиметр, миллиграмм и секунду. В 1861 году Комитет по эталонам Британской ассоциации счел целесообразным принять в качестве основных единиц сантиметр, грамм и секунду. Так появилась система единиц СГС. Единицы силы в системе СГС было присвоено название дина, единице работы – эрг.
При образовании единиц электромагнетизма на основе трех единиц – сантиметра, грамма и секунды – можно построить не одну, а две одинаково логичные и стройные системы единиц: электромагнитную систему СГСМ и электростатическую СГСЭ. Первая получается, если исходить из закона Кулона для магнитных масс. Ко второй же приходят, взяв в качестве исходного закон Кулона для электрических зарядов. Комитет рекомендовал для практического применения систему СГСМ. К тому времени существовало около пятнадцати различных единиц сопротивления. Восемь разных единиц напряжения и электродвижущей силы, пять единиц силы тока.
Первый международный конгресс электриков официально принял абсолютную практическую систему единиц, базирующуюся на системе СГСМ. Но в результате использования вещественных эталонов стали обнаруживаться расхождения между единицами физических величин при их определении различными способами. Например, литр как объем одного килограмма воды оказался несколько отличающимся от кубического дециметра.
Развитие науки и возросшая точность измерений позволили отказаться от использования многочисленных искусственно изготовленных эталонов и вернуться к эталонам, которые даны нам самой природой. Так, оказалось возможным определить метр, связав его с длиной волны некоторой спектральной линии, а затем со скоростью света в вакууме. Однако не для всех основных единиц удалось использовать естественные эталоны. Единица массы, например, все, еще определяется как масса международного прототипа килограмма.
После принятия в 1881 г. электростатической и электромагнитной систем (СГСЭ и СГСМ) со временем появилась новая система – гауссова система единиц, называемая также просто системой СГС. Она представляет своеобразное объединение двух систем. Электрические единицы гауссовой системы взяты из системы СГСЭ, а магнитные единицы – из системы СГСМ.
Вопрос о создании Международной системы единиц впервые был поднят еще в 1913 г. на V Генеральной конференции по мерам и весам, а на IX Международный союз чистой и прикладной физики представил предложение о принятии Международной практической системы единиц. X Генеральная конференция в 1954 г. решила, что Международная система должна быть универсальной, т.е. охватывать все области измерений, и в качестве ее основных единиц следует принять метр. Килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свечу (канделу).
Наконец, в 1960 г. X Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) приняла решение:
a) присвоить системе, основанной на шести основных единицах наименование «Международная система единиц»;
б) установить международное сокращенное наименование этой системы «SI» (от начальных букв Systeme International);
в) ввести таблицу приставок для образования десятичных кратных и дольных единиц;
Г) образовать 27 производных единиц Международной системы, с возможным добавлением в будущем и других производных единиц.
Уже после XI ГКМВ в Международную систему была добавлена седьмая основная единица – моль – единица количества вещества. Кроме того, наименование «градус Кельвина» заменено более коротким «кельвин». В русской транскрипции Международная система сокращенно именуется «СИ».
Формирование представлений учащихся о способах оценки точности измерений лабораторного эксперимента по физике
Выполнение лабораторных и практических работ является средством формирования у учащихся экспериментальных умений, требуемых программой по физике. Важнейшим из этих умений является умение измерять физическую величину. Процесс измерения нельзя считать завершенным после нахождения числа хизм принятого за результат измерения. Необходимо еще указать интервал значений, которому с определенной вероятностью принадлежит истинное значение измеряемой величины; эта вероятность также должна быть найдена в процессе измерения. В связи с тем, что представление о вероятности не изучается в школьных курсах математики и физики, возможно формирование лишь представления об интервале, достоверно содержащем (вероятность стремится к 1) истинное значение измеряемой величины.
Половина длины такого интервала называется границей абсолютной погрешности измерений. Качество измерения характеризуется границей относительной погрешности: хизм. Представление о границах погрешностей измерений имеет важнейшее методологическое значение. Оно показывает, что нельзя осуществить точные измерения. Без оценки погрешности измерений в значительной степени теряется степень самих измерительных лабораторных работ.
Например, при измерении физических констант без оценки погрешностей измерений трудно будет убедить учащихся в достоверности полученных результатов, так как они практически всегда не совпадают с табличными значениями. Возможен лишь один способ убедить учащихся в достоверности измерения: результат измерения хизм должен принадлежать интервалу xо ± x]. Тоже самое можно сказать об опытном изучении физических законов. Вместо равенства А=В выражающего закон, ученик получает значение Аизм±А] и Визм±В] имеют общие точки.
Представления о границе абсолютной погрешности помогает также верно интерпретировать результаты работ по исследованию функциональной связи между величинами, например, объяснить, что полученные результаты подтверждают прямую пропорциональную зависимость между величинами. Ведь по результатам совместных измерений величин х и у получают не точку с координатами (хизм ;уизм), а область со сторонами 2x, 2у. Таким образом, умение измерить физическую величину должно включать и умение использовать понятие границ погрешностей, а на достаточно высоком уровне – умение вычислять эти границы.
Погрешности измерений по причинам их возникновения классифицируют на случайные, систематические и промахи. Об элементах теории погрешностей и примерами их расчета можно познакомиться в специальной и методической литературе для учителя физики. В зависимости от того, какие погрешности измерений вносят основной вклад в погрешность результата лабораторные работы можно разделить на три группы;
- работы, в которых основной вклад в погрешность результата вносят средства измерения;
- работы, в которых основной вклад вносят случайные погрешности;
- работы, в которых приходится учитывать и систематические погрешности.
Особенностью школьного физического эксперимента является то, что одни и те же приборы используются при измерении и больших и малых величин. Учителю необходимо иметь полную информацию о погрешностях даваемые прибором, чтобы учесть их при получении результатов. Для оценки границ косвенных измерений методом границ используются соответствующие формулы. Они довольно несложные и простые.
Во всех существующих проектах образовательных стандартов выдвигаются определенные требования к умениям учащихся оценивать погрешности измерений. Рассмотрим один вариант методики обучения учащихся обработке результатов измерений. Эта методика основывается на двух исходных позициях. Первая из них состоит в том, что для преодоления неизбежных трудностей освоения объективно сложного умения определять погрешность широко используется априорно (еще до опытов ученика) известная учителю граница погрешности измеряемых школьником величин. Вторая позиция – использования понятия погрешности средств измерения. Ученики основной школы на уроках овладевают умениями оценки только погрешностей прямых измерений. Целесообразно познакомить учащихся с графическим изображением результата измерений.
Формирование представлений о границе погрешности прямых измерений и погрешности средств измерений – это первый этап обучения учащихся.
Второй этап – это формирование умения оценивать погрешности при измерении физических величин и изучении законов. Здесь возможны два уровня. Первый уровень – это оценка отклонения результата измерения величины от известного ее значения в процентах. Такое умение формируется при выполнении работ подобных «Измерению плотности твердого тела или жидкости» в 7классе, «Измерению удельной теплоемкости или теплоты плавления твердых тел» в 8 классе. При изучении законов записанных в виде А=В, этому уровню соответствует способ сравнения отношения Аизм/Визм с единицей.
Если в работе закон изучается на основе исследования функциональной связи между величинами. То на первой ступени показывают способ построения графиков по результатам измерений так же как в работах по измерению жесткости пружины или измерению коэффициента трения скольжения.
Второй уровень рассматриваемого умения – это умение доказывать достоверность измерений на основе использования идеи принадлежности их к интервалу Аизм±А] и Визм±В]. На первом этапе это делается с использованием априорной погрешности (абсолютной или относительной), которая сообщается учащимся учителем.
Третий этап формирования умения оценивать границы погрешности – это обработка результатов косвенных измерений. Этот этап целесообразно начинать последним используя простейшие функции g=у/х и f=ху.
При планировании измерений необходимо обращать внимание учащихся на пути понижения погрешностей наиболее грубых частных результатов измерений. Уменьшение погрешностей грубых измерений осуществить значительно проще, чем значительно уменьшить погрешности точных измерений.
Четвертый этап формирования умений оценивать границы погрешности, связан с вычислением случайных погрешностей. Очень часто именно эти погрешности приводят к неточному результату. Данную задачу можно решить со школьниками только с опорой на физический эксперимент, протекание которого подчиняется необходимым вероятностным законам удовлетворяющим двум требованиям:
- измеряемое значение известно;
- результаты измерения распределены по нормальному закону.
Умение оценивать границу случайных погрешностей измерений можно сформировать на четырех уровнях.
Первый уровень – это умение графически изобразить интервал, в котором находится истинное значение измеряемой величины, если граница случайной погрешности каждого опыта или среднего сообщена учителем.
Второй уровень – это умение вычислять границу случайной погрешности среднего арифметического по известной (сообщенной ученикам) погрешности однократного опыта и числу опытов в серии
ср = /√N
Третий уровень – это умение вычислять среднюю абсолютную погрешность измерений и находить границу случайной погрешности по упрощенной методике.
Четвертый уровень – это умение вычислять, находить границу случайной погрешности на основе понятия дисперсии. Этот уровень может быть достижим при углубленном изучении предмета.
Использование исторического материала для повышения познавательного интереса к изучению физики
Рассматривая историю физики, прежде всего как процесс эволюции ряда фундаментальных физических понятий и идей нельзя не согласится с тем, что исторические обзоры активизируют познавательные интересы школьников к изучению физики. В предлагаемой программе имеется возможность раскрыть развитие взглядов по таким проблемам, как проблема сохранения, относительности, атомизма, поля, корпускулярно-волнового дуализма.
Предлагая для учителя эту программу, непременно учитывалось органическое единство трех функций учебного процесса – познание, воспитание и развитие учащихся. Историзм не самоцель. а средство позволяющее решать все основные задачи обучения учащихся: глубже и сознательнее усваивать явления, понятия, законы физики; формировать научное мировоззрение и убеждения; возбуждать интерес к физике; воспитывать личность с активной жизненной позицией. При последовательном раскрытии эволюции физических понятий и идей удается учениками, более осознанно усваивается основное содержание физики. Наверняка каждый учитель согласиться с тем, что бывают очень уместны небольшие исторические экскурсы, посвященные отдельным открытиям, важные даты. краткие биографические данные об ученых, описание эпохи. в которой жил и творил тот или иной ученый, и т.д.
Учитель обращается к истории физики, когда хочет «оживить» урок, сделать его интересным. Однако подчас «интересность» истории физики видят в исторических курьезах и легендах, в забавных и любопытных сведениях об отдельных ученых и внешне эффектных исторических эпизодах. Спору нет, включение в урок такого рода сведений может быть и полезным. Ученики, например, с интересом слушают известную легенду об архимедовой «Эврике!» или о том, какую роль в рождении классической механики сыграло яблоко, упавшее в саду Ньютона. Однако такого рода сведения «бьют на внешний эффект» и, как любые сенсации, способны вызвать лишь мимолетный интерес. Чтобы пробудить устойчивый интерес у школьников к физике-науке, надо раскрыть эволюцию физических идей, причины, побудившие ученого принять ту или иную идею, механизм научного поиска, атмосферу творческого процесса. Это следует делать не от случая к случаю, а по возможности систематически, не академически строго, а с личной уверенностью. Ведь интересного само по себе не бывает, можно о работах Марии и Пьера Кюри, и о революции в физике на рубеже XIX-XX вв., и о создании теории относительности рассказать, так, что рассказ будет давать пищу уму, а не сердцу. Здесь очень важна, конечно, форма изложения. А в содержании исторических сведений главное внимание должно быть обра-щено не столько на то кто, что, когда открыл, сколько на то - почему и как возникла у ученого та или иная идея, каков ход его мысли при обосновании идеи, каков его метод исследования. Не случайно К.Д. Максвелл говорил: «Наука нас захватывает только тогда когда, заинтересовавшись жизнью великих исследователей, мы начинаем следить за историей развития их открытий». Значит, говоря, например, о создании теории относительности. надо ба не просто сообщить о тех исходных постулатах, которые были положены в ее основу Эйнштейном, а объяснить, почему Эйнштейн верил в универсальность принципа относительности, почему Лоренц и Пуанкаре не увидели в новых преобразованиях координат и времени выражения реальных свойств пространства и времени, а Эйнштейн увидел это, т. е. показать ученикам, как отразилось мировоззрение Эйнштейна на выдвижении тех идей, которые составили содержание теории относительности. Рассказывая о рождении новых идей и их эволюции, не следует пренебрегать деталями некоторыми «мелочами», любопытными эпизодами. Они могут оживить рассказ, но стойкий интерес рождают не они, а сам процесс поиска истины с его внутренней логикой, с его неизбежными зигзагами и даже поворотами вспять и с неизбежным обретением истины.
Таким образом, историзм в преподавании физики - одно из важных средств развития у школьников интереса к науке. А то к чему пробужден интерес, усваивается всегда лучше, чем то, что изучается лишь в силу внешних побуждений, поэтому историзм способствует и лучшему пониманию физики. Однако дело не только в этом. Знакомство с историей науки не только показывает, как надо мыслить. чтобы понять природу, но и предостерегает нас от неверных представлений. Сопоставляя взгляды Аристотеля и Галилея, мы предостерегаем учеников от возможных ошибочных представлений о том, что тяжелые тела падают быстрее, что причина движения-сила. Говоря о существовании и крушении концепций теплорода, эфира, учитель предотвращает у школьников подобного роды иллюзии. Говоря об ошибочности концепции «энергетизма», мы предостерегаем учеников от представления об энергии в духе субстанции. Рассказывая о развитии представлений о природе света, мы обобщаем и систематизируем знания учащихся и тем самым делаем их более глубокими, осознанными и прочными.
Таким образом, историзм в преподавании физики способствует повышению качества знаний учащихся. Такова его еще одна важнейшая функция.
Действительно, мировоззрение включает в себя научное понимание процесса познания мира. Исторические обзоры, в которых раскрывается эволюция идей, позволяют показать, что научные знания – это на застывшие догмы, что научные знания непрерывно развиваются. В ходе процесса познания мы получаем достоверные сведения о мире, т. е. постигаем объективную истину. Но каждое научное утверждение справедливо лишь в определенных условиях, и является неполным и неточным знанием о мире, т.е. является истиной относительной, содержащей, как правило, элементы абсолютной истины. Показывая эволюцию физики, учитель вскрывает роль практики (производство и научный эксперимент) как источника знаний и критерия истины, а постепенное все более глубокое и полное постижение законов природы, с которым нас знакомит история, означает познаваемость мира и всесильность человеческого разума. Тем самым история физики позволяет раскрыть перед учащимися общие закономерности и принципы научного познания.
Знакомя школьников с историей науки, необходимо показывать, как создаются физические теории, какова роль гипотез в развитии физики, в чем особенности научного эксперимента и методов физического исследования.
Мировоззрение включает в себя не только знания, но и убеждения. Знания становятся убеждениями, когда они самостоятельно осмыслены, а не взяты на веру в готовом виде, когда они - плод напряженной работы мысли. Материалы истории науки позволяют хоть в некоторой мере сформировать отдельные элементы научного мышления, такие, например, как уважение к фактам, здоровый скептицизм, всесторонность рассмотрения явлений, умение усомнится в очевидном и т.д.
Таким образом, историзм есть одно из средств формирования научного мировоззрения учащихся в процессе преподавания физики.
В процессе реализации данной программы, на занятиях учитель знакомит учащихся с жизнью, деятельностью и взглядами выдающихся ученых как отечественных, так и зарубежных. Одновременно ставит ряд важнейших этических и политических проблем: добра и зла, гуманизма и смысла жизни, патриотизма и национальной гордости, социальной ответственности ученых и т.п. Биографии ученых дают материал огромной воспитательной ценности, следует считать необходимым ознакомление школьников с научной деятельностью, взглядами, духовным миром выдающихся представителей физической науки. Ведь среди конечных результатов обучения в школе, есть явные результаты – это знания, умения (по ним чаще всего и судят об успешности работы учителя и их преимущественно и выявляют) и есть неявные, количественно не выражаемые в баллах и прочих измерителях, - это взгляды на жизнь, на свое место в ней, этические убеждения, черты характера, интересы. И эти неявные результаты воздействия на ученика не могут считаться второстепенными. Поэтому нельзя оставить без внимания и средства для достижения этих результатов в процессе обучения, в частности такое средство, как рассказы о лучших представителях науки.
Таким образом, история науки есть еще одно из средств нравственного воспитания учащихся.
Можно указать еще один резерв занятий по данной программе. Он состоит в том, что ученики довольно часто допускают такие же ошибки в понимании важнейших физических понятий и идей, которые аналогичны заблуждениям, имевшим место в историческом процессе формирования этих понятий и идей (вспомним представления о силе как причине движения, представление об энергии как о виде материи, абсолютизацию одной какой-либо системы отсчета, чаще всего той, что связана с Землей и т.д.). Это вполне объяснимо, так как логическое (учебное познание) и историческое (общественно-историческое) находятся в единстве и имеют общность в том, что в познании любого объекта есть нечто объективно сложное, трудное как для зрелого ума ученого, так и тем более для только еще формирующегося ума школьника. Отсюда следует возможность некоторого прогнозирования затруднений, возникающих у учащихся в процессе изучения ими ряда физических понятий и идей. Познакомив учащихся с тем, на чем конкретно «споткнулись» физики в трактовке тех или иных идей, можно предупредить ошибки учеников и скорректировать учебное познание в сравнении с историческим. Таким образом, используя исторический подход в преподавании данного курса учителю необходимо выполнить следующие действия:
1) выявить, какие ошибки были в историческом процессе формирования этих понятий и идей;
2) выявить конкретные причины этих заблуждений в историческом процессе развития физики (т.е. установить, в чем проявилась неадекватность мышления, что конкретно преувеличивалось, понималось односторонне, игнорировалось, незнание каких вопросов создавало трудности познания и т. д.).
3) построить методику изложения этих вопросов так, чтобы в их трактовке были устранены причины, которые могли бы вызвать у учащихся подобного рода заблуждения.
Бесспорно, что в курс следует включить те вопросы истории, которые в наибольшей мере способствуют решению задач, стоящих перед обучением физики. Конечно, вопросы истории, включаемые в содержание занятий, имели связь с учебными программами и доступны школьникам. Для такого отбора не существует жестких критериев. Прежде всего, из богатейшей сокровищницы истории физики надо выбрать то, что является определяющим в развитии физики с точки зрения ее методологии и современного состояния. Поэтому если мы хотим представить историю физики главными вопросами, то следовательно исторический материал должен показывать эволюцию фундаментальных физических идей. Некоторые из этих идей выходят за рамки Обязательного минимума содержания физического образования и на уроках подробно не рассматриваются, поэтому будет полезно дополнительно раскрыть их на элективных курсах по выбору естественнонаучного профиля.
Как средство повышения познавательного интереса к изучению основных законов физики данный курс содержит описание фундаментальных физических открытий и их экспериментальных установок : светового давления, модели атома, открытие рентгеновских лучей и др..
Специфическим типом исторического материала являются задачи с историческим содержанием. Хотя они немногочисленны и не так уж часто используются в обучении, по сравнению с другими видами задач, тем не менее, несомненно, представляют интерес. Обладая всеми достоинствами обычных задач, они знакомят учащихся с историческими событиями, фактами, методами исследования и тем самым обучают школьников самим своим содержанием.
Итак, можно выделить следующие формы использования исторического материала на занятиях предпрофильного курса:
- исторические обзоры, выступающие как средство обоснования новых знаний, систематизации и обобщения;
- описания истории отдельных открытий, фундаментальных опытов;
- полные биографии ученых и фрагментарные биографические сведения, служащие целям формирования личности ученика;
- задачи с историческим содержанием.
Исторические сведения не являются каким-то чужеродным элементом содержания школьного курса физики, а поэтому и каких-то особых методов их изучения не существует. Все те методы и приемы. Которые применяются при обучении физике в школе вообще, пригодны и в процессе преподавания элективных курсов по выбору учащихся. Может быть, лишь отдельные методы и приемы приобретают наибольшее значение или же некоторый специфический оттенок.
Многие важнейшие положения должны доказываться средствами эксперимента, но, как правило, с этой целью нельзя воспользоваться учебным экспериментом, так как исторические опыты и установки трудно, а подчас и невозможно осуществить в школьных условиях. Поэтому обоснованность в изложении исторического материала достигается иными средствами, главным из которых является документальность. Формы его могут быть разными – это видео и кинофильмы, аудиозаписи выступлений ученых или об ученых, схемы, фотографии подлинных установок; данные, характеризующие их масштаб и точность измерений; высказывания и подлинные формулировки самих ученых; описание эпохи, условий труда ученых, а подчас и художественное описание того или иного открытия, воспроизводящее с допустимой долей домысла, атмосферу открытия. Возможно, также использовать посещение музеев и выставок. Все это позволяет ввести ученика в обстановку, в которой совершалось открытие, обеспечить в какой-то мере «эффект присутствия» при открытии, убедить ученика в достоверности исторических сведений.
Чрезвычайно важным при этом является характер изложения учителем исторического материала. Здесь уместны не академизм и беспристрастность, а раскованная, живая манера изложения материала, которая должна сочетаться с четкостью и логической строгостью в развертывании хода исторического процесса.
Хотя исторический материал в большинстве случаев и не позволяет организовать при его изучении беседы проблемного характера, тем не менее, проблемность должна присутствовать и при изложении исторических сведений. Этому способствует проведение занятий в форме семинаров, диспутов, театральной постановки, конференций и др.
В курсе физики средней школы упоминается более ста фамилий ученых. Рассказать обо всех представителях науки практически не возможно. Следовательно, биографические учебные материалы могут быть двух типов: во-первых, относительно подробные жизнеописания отдельных основоположников физической науки и, во-вторых, фрагментарные сведения о некоторых сторонах отдельных ученых- физиков. Полнота сведений об ученом зависит, конечно, от его ранга, хотя это несколько условно. Но главное конечно, в том, насколько поучительны для молодежи факты из жизни, мысли и взгляды ученого, которые могут быть включены в учебный биографический материал. В отличие от историко-биографического описания учебное жизнеописание составляется главным образом, исходя из педагогической ценности биографических сведений. Например, биографический материал о Фарадее имеет большую педагогическую ценность, чем биографический материал о Максвелле, что и определяет степень полноты сведений, сообщаемых о них. Оценка биографического материала с точки зрения педагогического эффекта, который он должен вызывать, означает, прежде всего, что биография ученого строится не как сводка событий и дат, позволяющих в хронологической последовательности проследить за всей жизнью ученого, а как своеобразный этюд, позволяющий несколькими фактами выявить наиболее примечательное в жизни и взглядах человека, «оживить» его облик, сделать его запоминающимся и близким для учеников. Тут подчас достаточно несколько ярких штрихов, пары фактов из жизни ученого. А порой можно привести юмористическую фразу, шутливый эпизод из жизни и ученый станет ближе, доступнее.
Таким образом, учебная биография ученого – это не хроника событий его жизни, а биография его мыслей, взглядов и поступков на фоне тех социально-политических условий, в которых он жил и работал.
Выдвинуть достаточно четкие критерии отбора педагогически эффективного биографического материала пока что весьма трудно. И все же цели, которые мы преследуем знакомя учащихся с жизнью и взглядами ученых, позволяют сформулировать ряд рекомендаций.
Вводя учеников в духовный мир лучших представителей физической науки, мы помогаем ученикам сформировать их жизненные позиции, устремления и идеалы. Поэтому надо выбрать из биографии ученого те сведения. которые наиболее актуальны для современной молодежи и которые могут помочь им освободится от некоторых наиболее часто встречающихся ныне среди молодых людей вредных черт и предрассудков. Например. учитывая отдельные факты, говорящие о существовании у некоторых людей «культа вещей», следовало бы почаще показывать, сколь непритязательны были к внешним атрибутам жизни люди науки, мерящие свое счастье не по обладанию предметами комфорта и не по возможности удовлетворения своих обыденных повседневных желаний. а по тому, в какой мере они смогли «освободиться от своего я» и отдаться отнюдь, нелегкому делу – служению людям на пути поисков истины.
Воспитание патриотизма также является одной из необходимых задач школы, в частности, и за счет использования материалов по истории науки. Можно привести много примеров из истории, когда ученые жертвуют все средства полученные от внедрения своих изобретений в дар России, человечеству, будущим поколениям. (Н.И. Кибальчичь, П.Н. Яблочков, А.С. Попов, К.Э. Циолковский и др.)
Не следует рисовать ученых людьми, лишенных всяких недостатков, которыми остается лишь восхищаться, и, которые настолько несоизмеримы с обычными смертными, что подражание им кажется делом бесперспективным. Приходится ведь говорить, например, и о некоторых отличительных чертах характера Ньютона, о его глубокой религиозности. Далеко не все физики прочно стояли на позициях научной философии. Конечно, заблуждения ученого надо не осуждать, а объяснить.
Естественно, что по отношению ко многим ученым было бы совершенно недостаточно ограничиться лишь простым перечислением того, что ими сделано. Научную деятельность ученого надо попытаться объяснить.
Прежде всего, требуют объяснения побудительные мотивы, заставляющие ученого обратиться к той или иной проблеме. Безусловно, что одной из важнейших причин, побуждающих к исследованию физической проблемы, являются потребности, возникающие в сфере общественного производства. Например, необходимость в совершенствовании паровых машин привела к разработке основ термодинамики. Социальный запрос побудил И.В. Курчатова перейти из области исследований сегнетоэлектриков в сферу исследования практического применения атомной энергии.
Однако нельзя пытаться истоки любого нового научного построения вывести непосредственно из потребностей общественного производства, которое определяет ход развития физики в целом, а не развитие каждого отдельного ее направления. Причиной возникновения специальной теории относительности и интереса Эйнштейна к проблемам электродинамики движущихся сред явилось противоречие между теоретическими представлениями в области классической оптики и электродинамики и экспериментальными данными, которые не укладывались в рамки этих теоретических представлений. Выдвижение Планком гипотезы квантов связано с невозможностью дать объяснение опытным фактами законам теплового излучения, исходя из основ классической электродинамики, т.е. обусловлено необходимостью выдвинуть такую гипотезу, которая соответствовала опыту. Таким образом, одной из важнейших причин, побуждающих ученого к выдвижению новых теоретических взглядов, является противоречие между существующими теоретическими воззрениями и опытными данными. Опыт, эксперимент при этом выступает как важнейший стимул научного прогресса.
Итак, изложение биографического материала позволяет объяснить побудительные мотивы обращения ученого к той или иной проблеме. При отсутствии такого объяснения искажается понимание исторического процесса, который может представляться ученикам хаотическим нагромождением случайных шагов ученых, совершаемых в силу субъективных причин. Почему, например, Галилей выдвинул принцип инерции и принцип относительности? Все шаги научного творчества Галилея становятся понятными, если принять во внимание, то что центральной идеей всей научной деятельности Галилея была защита учения Коперника.
Успех деятельности ученого зависит не только от его мировоззрения, но и от выбора метода исследования. Открытие, о котором сообщается вне связи с методами исследования, теряет свою значимость, ценность, привлекательность и воспринимается как нечто заурядное.
Говоря о поставленной П.Н. Лебедевым задаче – обнаружить давление света – и о методах ее решения, мы знакомим учеников с важнейшей особенностью эксперимента – с необходимостью устранить в опыте все побочные эффекты и выделить явление «в чистом виде», без посторонних факторов.
Говоря о научном творчестве Галилея, полезно разъяснить суть его метода, так как за введение в физику подлинно научного метода мы и считаем Галилея основоположником физической науки. Первый шаг научного исследования, по Галилею – это постановка опытов и наблюдений в результате которых устанавливаются достоверные научные факты. Далее следует анализ и обобщение опытных данных, в результате которых выдвигается гипотеза или исходный принцип. Общее гипотетическое предположение служит основанием для получения частных следствий. которые выводятся из исходных идей математическим путем. Наконец истинность исходных идей и их логического развития устанавливается путем проверки следствий и частных законов на опыте. Нетрудно видеть, что путь физического исследования, предложенный Галилеем в общих чертах сохранился и по ныне.
Величие Ньютона в том, что он изобрел метод гипотез, а единственно приемлемый в решении этой проблемы метод принципов, который хотя и не позволил раскрыть механизм тяготения, но дал возможность получить закон для вычисления силы тяготения.
Очень важно показать, что занятие наукой – это тяжелый труд, требующий от человека всей жизни, это не только озарение, но и мучительные поиски, сомнения, крушение надежд и вновь поиски и вновь разочарования. И в тоже время – это радость, но не от ореола славы, а от самого этого мучительного процесса искания истины.
Итак, главным в биографических сведениях является материал, в котором раскрывается творческая деятельность ученого. В этом материале можно выделить следующие проблемы:
1. Причины, побуждающие ученого к выбору предмета исследования (социальный запрос, логика развития науки);
2. Механизм решения научной проблемы (влияние мировоззрения на путь поиска решения, выбор метода исследования);
3. Отношение к науке людей науки;
- Трудности научного поиска;
- Оценка вклада ученого в развитие науки.
Литература.
1. Демкович В.П., Прайсман Н.Я. Приближенные вычисления в школьном курсе физики. Москва, «Просвещение». Под ред. проф. Рудольфа Гёбеля.1983.
2. Физика. Справочник школьника и студента. Москва, «Дрофа» 2000.
3. Чертов А.Г. Физические величины. Москва, «Высшая школа» 1990.
4. Бурова В.А., Никифорова Г.Г. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений. Москва, «Просвещение», «Учебная литература» 1996.
5. Власов А.Д. Единицы физических величин в науке и технике. Москва, «Энергоатомиздат».
6. Фетисов В.А. Оценка точности измерений в курсе физики средней школы. Москва, «Просвещение» 1983.
7. Дуков В.М. Исторические обзоры в курсе физики средней школы. Москва, «Просвещение» 1983.
8. Спасский Б.И. Физика в ее развитии. Москва, «Просвещение» 1979.
9. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. Москва, «Просвещение» 1974.
10. Струан Рейд, Патриция Фара, Фелиси Эверетт, История открытий. Энциклопедия. Москва, «РОСМЕН» 1995.
11. В.Н. Мощанский, Е.В. Савелова. История физики в средней школе. Москва, «Просвещение» 1981.
12. И.К. Кикоин, библиотечка «Квант» вып. 53. Рассказы о физике и физиках. Москва, «Наука» 1986.
13. Р.С. Кудрявцев, Фарадей, Москва, «Просвещение» 1969.
14. Е.М. Кяус. Поиски и открытия. Москва, «Наука» 1986 .
15. Ф.М. Дягилев. Из истории физики и жизни ее творцов. Книга для учащихся. Москва, «Просвещение» 1986.
16. О.П. Спиридонов. Универсальные физические постоянные. Серия «Мир знаний» Москва, «Просвещение» 1984.
17. Э. Шмутцер, В. Шютц. Галилео Галилей. Москва, «Мир» 1987.
18. С.Г. Гиндикин. Рассказы о физиках и математиках. Библиотечка «Квант» вып. 14. Москва, «Наука» 1981.