Методика проведення уроків з теми «теплове розширення тіл при нагріванні» в умовах поглибленого вивчення фізики.
У повсякденному житті, у побуті та на виробництві доволі часто доводиться стикатися із явищем теплового розширення тіл. Це явище потрібно враховувати при побудові ліній електропередач, при створенні точних приладів, тощо. Але це явище не розкривається у курсі фізики для загальної школи, що, звичайно ж, не відображає важливості цього питання для формування цілісної картини світу.
Явище теплового розширення тіл можна доволі легко вимірювати навіть у умовах школи і тому на його основі можна провести лабораторну роботу та практично визначити параметри теплового розширення. Тому в умовах профільного навчання фізики доцільно провести вивчення теплового розширення тіл. При виконанні даної роботи буде зроблено аналіз програми із фізики для типової школи та для класів із профільним навчанням фізики, буде дано рекомендації щодо вивчення теми теплове розширення тіл при нагріванні. Також буде проведено розгляд методики викладання даної теми у класах із профільним навчанням та дано рекомендації щодо викладання даної теми, розроблено план-конспект уроку та необхідних демонстрацій по темі.
Проведемо аналіз програми шкільного курсу фізики для типових класів та класів із профільним навчанням фізики.
Шкільний курс фізики побудовано за двома логічно завершеними концентрами, зміст яких узгоджується зі структурою середньої загальноосвітньої школи: в основній школі (7 – 9 клас) вивчається логічно завершений базовий курс фізики, який закладає основи фізичного знання; у старшій школі вивчення фізики відбувається залежно від обраного профілю навчання: на рівні стандарту, академічному або профільному. В основній школі фізику починають вивчати як окремий навчальний предмет, зміст якого і вимоги до його засвоєння є єдиними для всіх учнів. Урахування пізнавальних інтересів учнів, розвиток їх творчих здібностей і формування схильності до навчання фізики здійснюється завдяки особистісно орієнтованому підходу, запровадженню факультативних курсів і проведенню індивідуальних занять.
У старшій школі загальноосвітня підготовка з фізики продовжується на засадах профільного навчання. Зміст фізичної освіти та вимоги до його засвоєння залежать від обраної навчальної програми: на рівні стандарту курс фізики обмежується обов’язковими результатами навчання, тобто мінімально необхідною сумою знань, які мають головним чином світоглядне спрямування; на академічному рівні закладаються базові знання з фізики, достатні для продовження навчання за напрямами, де потрібна відповідна підготовка з фізики; на рівні профільного навчання в учнів формуються фундаментальні знання з фізики, оскільки з їх удосконаленням учні здебільшого пов’язують своє майбуття в професійному зростанні.
Програма профільного навчання фізики передбачає систематизоване вивчення основних фізичних теорій, формування світогляду і наукового стилю мислення учнів на основі фізичної картини світу, оволодіння методами наукового пізнання та усвідомлення фізичного знання на рівні, необхідному для подальшого його використання в професійній діяльності та продовженні фізичної освіти. Основними профілями навчання, де фізика вивчається на такому рівні, є фізичний, фізико-математичний і фізико-технічний.
Вивчення фізики починається набагато раніше чим у шкільній програмі з’являється такий предмет як фізика. У 5 – 6 класах учні отримують фізичні знання головним чином завдяки дослідно-експериментальній діяльності на уроках природознавства, вивченню технологій, математики, під час екскурсій у природу; поповнюється їхній термінологічний апарат (швидкість, маса, температура, час, механічний рух, теплота, атом тощо).
Саме на уроках природознавства учні отримують перші знання про теплове розширення тіл, як приклад можна навести дослід із розширенням монетки. Але на уроках природознавства не даються ніякі кількісні характеристики розширення і його вивчення проводиться на емпіричному рівні.
Вивчення теплового розширення на кількісному рівні можливо лише в рамках курсу фізики.
Теплове розширення відноситься до теплових явищ, які вивчаються в курсі фізики двічі, в основній та старшій школах. Вивчення теплового розширення тіл слід розпочинати із вивчення такого поняття як агрегатний стан речовини і на його основі вже вводити поняття теплового розширення.
Початкові уявлення про будову речовини учнів отримують на початковому етапі вивчення фізики у сьомому класі. В сьомому класі вивчаються такі теми як «Початкові відомості про будову речовини», де вивчають агрегатні стани речовини, дифузію, розглядають стани речовини на основі молекулярно-кінетичних уявлень. Але більш детально починається розгляд теми про будову речовини та її властивості в старшій школі.
В десятому класі в курсі фізики вивчаються такі питання які відносяться до молекулярної фізики. В класах із профільним вивченням фізики на вивчення фізики стандартно відводиться 5 годин на тиждень (якщо не враховувати різноманітні спеціальні школи при вузах, тощо, де ця кількість годин може бути і більшою). В класах із стандартним вивченням фізики на цей предмет відводиться лише три години на тиждень. В звичайних класах на вивчення молекулярної фізики згідно програм відводиться 23 години та 5 годин резерву, який використовується на розв’язування завдань та проведення тематичних атестацій. У таких класах не передбачено вивчення теплового розширення тіл. І властивості твердих тіл вивчаються тільки поверхово, згідно плану який наведено нижче в таблиці 1.
Таблиця 1. Витяг із навчального плану по фізиці.
| Молекулярна фізика і термодинаміка (23 год + 5 год резерву) | |
| Теми занять | Вимоги до знань. |
| Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини та її дослідні обґрунтування. Маса та розміри атомів і молекул. Кількість речовини.Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості і застосування. Лабораторні роботи1. Дослідження одного з ізопроцесів2. Вимірювання відносної вологості повітряДемонстрації1. Властивості насиченої пари.2. Кипіння води за зниженого тиску.3. Будова і принцип дії психрометра.4. Поверхневий натяг рідини.5. Скорочення поверхні мильних плівок.6. Капілярне піднімання рідини.7. Пружна і залишкова деформації.8. Вирощування кристалівЗміна кольору рідких кристалів від температури. | За результатами вивчення розділу учень:називає прізвища творців молекулярно-кінетичного учення про будову речовини, вчених, які зробили вагомий внесок у створення теорії рідин, твердих тіл і матеріалів; наводить приклади рідких кристалів, аморфних і кристалічних тіл та полімерів; розрізняє ідеальний і реальні гази, ізопроцеси,насичену і ненасичену пару, кристалічні і полікристалічні тіла; може описати гіпотезу Демокрита про атомну будову речовини та основні етапи її розвитку, молекулярну будову рідин і полімерів, кристалічну будову тіл та їх загальні механічні властивості, пояснити визначальну роль взаємного розміщення, руху і взаємодії молекул щодо будови і фізико-хімічних властивостей тіл; тверднення і плавлення тіл на основі атомно-молекулярних і термодинамічних підходів;здатний спостерігати змочування і капілярність, пароутворення і конденсацію, тверднення та плавлення тіл як фізичних явищ (згідно до відповідного правила-орієнтиру); робити висновки про можливість отримання речовин (матеріалів) з наперед заданими фізико-хімічними властивостями. |
Як видно із програми у курсі фізики стандартної школи поняття теплового розширення тіл не вводиться взагалі, вивчається лише така тема як «Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості і застосування».
Тому вивчення теплового розширення тіл можливе тільки в умовах поглибленого, профільного вивчення фізики у школі.
Згідно програм для профільного вивчення фізики ми маємо одну годину часу на вивчення теплових властивостей твердих тіл. А також одну годину часу на вивчення будови та властивостей твердих тіл, де розглядаються поняття кристалічних та аморфних тіл та їх властивості. Проведення лабораторних дослідів по цій темі крім вирощування кристалів та зміни кольору рідких кристалів не передбачено. Провівши аналіз положень програми фізики для профільного навчання можна зробити висновок, що вивчення теплових властивостей твердих тіл доцільно провести згідно наступного плану, який приведено у таблиці 2.
Таблиця 2. Приблизний план вивчення теплових властивостей твердих тіл.
| ТЕПЛОВІ ВЛАСТИВОСТІ ТІЛ | |
| Теми занять | Вимоги до знань. |
| Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості і застосування. (1 год)Теплові властивості твердих тіл. Коефіцієнт лінійного розширення твердих тіл. (1 год)Розв’язування вправ та завдань. (1 год)Лабораторні роботи1. Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл. (1 год).Демонстрації1. Вирощування кристалівЗміна кольору рідких кристалів від температури. | За результатами вивчення розділу учень:Розуміти відмінності між кристалічними та аморфними тілами, знати їх основні характерні ознаки та вміти відрізняти ці тіла на практиці; Знати поняття теплового розширення тіл та їх причини, коефіцієнт теплового розширення, сил зв’язку між складовими частинками твердих тіл;Вміти вимірювати коефіцієнт теплового розширення на практиці, розв’язувати завдання та вправи на використання коефіцієнта теплового розширення твердих тіл. |
Для якісного вивчення теплового розширення тіл необхідно виділити для вивчення даної теми мінімум три години, одна іх яких буде відведена на проведення лабораторної роботи на тему «Визначення коефіцієнта лінійного розширення твердих тіл», а інші дві години будуть використані на вивчення нового матеріалу. У максимальному випадку потрібно чотири години, одна із яких може бути використана на проведення розв’язування завдань та вправ по темі.