-концепция педагогической деятельности (стр. 6 из 9)
Приведем пример.
Одним из наиболее выдающихся экспериментов в истории физики является опыт Кавендиша по определению гравитационной постоянной. С ее установлением закон всемирного тяготения получил законченный характер. Открылись возможности для определения масс Земли, Солнца, планет и их спутников, что явилось важным шагом в познании Солнечной системы. Рассматривая рисунок прибора Кавендиша, наблюдательный ученик обращает внимание на большую разницу в массах подвижных и неподвижных шаров. Нередко ученики спрашивают учителя, чем это вызвано, и не всегда учитель готов ответить на этот вопрос. Между тем от правильного подбора масс взаимодействующих сферических тел в немалой степени зависел успех опыта Кавендиша. Приведем возможный вариант проблемного изложения этого вопроса в IX классе.Из закона всемирного тяготения F = G (m1m2 / r2) ясно, что в принципе определить значение гравитационной постоянной несложно: G = F r2 / m1m2. Достаточно измерить массы двух однородных шарообразных тел, расстояние между их центрами и силу притяжения. Массы тел и расстояние можно определить с большой точностью. Гораздо сложнее измерить силу притяжения: ведь она очень мала. Не случайно в повседневной жизни мы никогда не замечаем притяжения тел, находящихся на Земле. Очевидно, нужен какой-то очень чувствительный прибор, чтобы эту силу можно было обнаружить и измерить. Такая проблема возникла в науке после установления закона всемирного тяготения, поэтому и появилась необходимость в определении гравитационной постоянной. Обычные способы измерения сил с помощью динамометров и существовавших в то время весов не могли помочь: слишком малые силы нужно было измерять. Прошло более 100 лет, прежде чем такой эксперимент удалось осуществить. Это было сделано в 1798 г. английским ученым Генри Кавендишем. К тому времени был разработан способ определения очень малых сил при помощи крутильных весов, которые и были использованы Кавендишем для определения силы гравитационного взаимодействия между телами. (Учитель объясняет принцип устройства прибора и идею опыта — рис. 15.) Но вопрос заключался в том, будут ли силы взаимодействия между сферами достаточны для того, чтобы коромысло крутильных весов повернулось хотя бы на небольшой угол. Это зависело от двух обстоятельств: насколько большими будут силы притяжения между подвижными и неподвижными сферами и как высока чувствительность весов (чем меньший момент сил требуется для поворота коромысла весов на один и тот же угол, тем больше их чувствительность). Кавендишу пришлось решать немало проблем. Рассмотрим одну из них, например: какие массы подвижных и неподвижных сфер лучше выбрать для поставленной задачи?
Начнем с подвижных сфер: какими их выгоднее сделать — большими или малыми — или это не имеет значения? Мы знаем, что сила взаимодействия пропорциональна массам тел; поэтому, может быть, есть смысл сделать эти сферы возможно большей массы? Однако в этом случае нить подвеса придется делать более прочной, т. е. увеличивать площадь ее сечения. А это, очевидно, уменьшит чувствительность прибора. Как же быть? По-видимому, надо оценить, что окажет большее влияние на результат опыта: возрастание силы притяжения за счет увеличения масс подвижных шаров или неизбежное при этом уменьшение чувствительности весов? Исследования показали, что уменьшение чувствительности сказывается сильнее. Например, если увеличить массу подвижных сфер в 2 раза, то в силе притяжения мы выиграем тоже в 2 раза, а чувствительность уменьшится примерно в 3,8 раза. Следовательно, увеличивать размеры подвижных сфер нецелесообразно, их выгоднее делать небольшими.
Ну а как быть с неподвижными сферами?
Здесь-то как будто вопрос ясен. Их массы не влияют на чувствительность прибора, а сила притяжения увеличивается прямо пропорционально массам. Таким образом, неподвижные сферы, видимо, нужно брать возможно большими. Но такое решение, пожалуй, будет поспешным. Мы не учли еще одного обстоятельства: сила взаимодействия сфер зависит не только от их масс, но и от расстояния между их центрами. И в этом случае надо снова решать проблему: что в большей степени влияет на силу взаимодействия — возрастание масс сфер или возрастание расстояния между центрами этих сфер?
Попробуем рассуждать так. Если неподвижные сферы делать достаточно большими, то расстояние r будет равно примерно радиусу неподвижной сферы, так как подвижные сферы, как уже выяснено, должны быть малы (рис. 16). Если увеличивать радиус неподвижных сфер в 2 раза, то их объемы и массы возрастут в 8 раз (V~r3). Во столько же раз возросла бы и сила притяжения, если бы расстояние между центрами сфер при этом не изменялось, однако оно увеличивается вдвое. А это ведет к уменьшению силы в 4 раза (F ~ r2) Следовательно, при увеличении размеров неподвижных сфер мы выигрываем в силе в 2 раза. Значит, неподвижные сферы выгодно делать большими.
Примерно такими соображениями руководствовался, очевидно, и Кавендиш при выборе масс подвижных и неподвижных сфер. Теперь понятно, почему в его приборе массы неподвижных сфер более чем в 200 раз превышали массы подвижных (соответственно 158 кг и 0,729 кг).
Готовя материал для проблемного изложения, учителю следует выделить именно тот, который ученики должны записать в тетради, хотя бы в виде конспектов или в форме плана.
Заметим, что при проблемном изложении часто оказывается полезным делить материал на отдельные логично связанные части. После изложения каждой такой части учащиеся могут задавать вопросы.
2.4.2 Поисковая беседа
При изложении на уроках физики нового материала чаще используют другую форму проблемного обучения — поисковую беседу. Смысл ее — привлечь учащихся к решению выдвигаемых на уроке проблем с помощью подготовленной заранее учителем системы вопросов. Поисковая беседа может быть использована в тех случаях, когда ученики обладают необходимыми знаниями для активного участия в решении выдвигаемых проблем.
Рассмотрим в качестве примера организацию поисковой беседы при изучении строения вещества в VII классе. Учитель обращается к ученикам: «У меня на столе вы видите различные тела: кусок свинца, железный шарик, подвешенный на цепочке, воду в колбе, а в этом стеклянном цилиндре под поршнем тоже физическое тело — воздух. Давайте попробуем ответить на вопрос: эти тела заполнены полностью своим веществом (свинцом, железом, водой, воздухом) или они пористы, т. е. в заполняющем их веществе имеются какие-либо промежутки?» Учащиеся дают такие ответы: «В воздухе есть промежутки, а в сплошных телах (в остальных трех) промежутков нет», «В твердых телах, например в свинце, тоже могут быть промежутки, но если свинец расплавить, то после затвердевания никаких промежутков в теле не будет». Учитель предлагает обосновать высказываемые соображения или предложить способы их опытной проверки. Если учащиеся затрудняются, учитель демонстрирует такие опыты, как сжатие воздуха поршнем в цилиндре, уменьшение объёма свинца (образование вмятины в куске свинца при ударе молотком), расширение воды в колбе при нагревании. После каждого опыта учащимся предлагают самостоятельно сделать вывод о том, дает ли данный опыт какие-либо основания для решения поставленного вопроса. Анализ этих опытов приводит учащихся к убеждению, что тела не сплошь заполнены веществом, а в них имеются промежутки, которые при увеличении объема тела увеличиваются, а при уменьшении — уменьшаются. Учитель спрашивает: «Что же представляют собой промежутки внутри тел? Может быть, они подобны полостям в куске сыра, а остальная часть тел все же сплошная? Или это промежутки между отдельными мельчайшими частицами вещества? Тогда тело должно состоять из множества частичек, расположенных на некоторых расстояниях друг от друга?» (Вывешивает рисунок 17, а и б, сделанный на листе бумаги.) Обычно учащиеся отвечают, что если бы тела состояли из отдельных частичек, то они рассыпались бы; следовательно, правильным является первое предположение. Учитель не
торопится их переубедить. «Опыт показывает,— говорит он,— что любые (даже самые малые) тела при охлаждении или под давлением уменьшаются. Подумайте, при каком строении тела это возможно». И учащиеся приходят к выводу, что уменьшение объема тела возможно только при его зернистом строении (рис. 17,6).Итак, учащиеся путем рассуждения приходят к выводу о том, что все тела состоят из отдельных частичек вещества, между которыми имеются промежутки. Затем учитель вводит понятие «молекула» как мельчайшей частички, сохраняющей свойства данного вещества, говорит о сложном строении самой молекулы. Вместе делают вывод: все тела состоят из мельчайших частичек — молекул, расположенных на некоторых расстояниях друг от друга.
У учащихся почти всегда возникает естественный вопрос: почему тела не распадаются на отдельные молекулы? Так в процессе решения первой проблемы (сплошные ли тела?) возникает вторая. Учитель предлагает учащимся подумать над этим вопросом и высказать возможные предположения. Чаще всего учащиеся затрудняются ответить на него самостоятельно. Тогда учитель, показав опыт со свинцовыми цилиндрами, просит учеников объяснить результаты опыта и самим сделать вывод о том, что между молекулами действуют силы притяжения, а затем предлагает привести другие примеры, подтверждающие этот вывод. Наконец, ученики приходят к окончательному выводу: все рассмотренные примеры свидетельствуют о наличии сил притяжения между молекулами. После этого учитель берет две стеклянные пластины, плотно прижимает одну к другой и свободно разъединяет их. Спрашивает: «Не противоречит ли этот опыт выводу о наличии сил притяжения между молекулами?» Учащиеся несколько удивлены. Затем учитель берет две хорошо отшлифованные пластины и приводит их в очень плотное соприкосновение. Пластины прилипают друг к другу. Учитель располагает их горизонтально и, придерживая только верхнюю, показывает, что нижняя пластина не отпадает от верхней. Ученики делают вывод о том, что силы притяжения между молекулами проявляются только на очень малых расстояниях. После этого они объясняют, почему не соединяются при соприкосновении две части сломанного твердого тела и легко соединяются пластилиновые кубики. Так решается вторая проблема.