Використання методу аналогій та життєвих компетенцій учнів під час викладання фізики



Скачати 105.67 Kb.
Дата конвертації14.09.2017
Розмір105.67 Kb.



Використання методу аналогій та життєвих компетенцій учнів під час викладання фізики




Доповідь підготувала вчитель фізики Левенко М.А.







Полтава - 2011


прямоугольник 55Методичне об’єднання вчителів математики, фізики, астрономії та інформатики Полтавської загальноосвітньої школи І-ІІІ ступенів № 19

План


  1. Вступ. Аналогія – метод наукового пізнання.

  2. Застосування методу аналогій при вивченні різних розділів фізики.

  3. Використання життєвих компетенцій учнів під час формування фізичних знань.

  4. Висновки. Роль методу та межі його застосування.

  5. Рекомендована література з теми.

Аналогія – метод наукового пізнання


З’ясовано, що застосування методу аналогії в науці має велике значення для розвитку евристичного мислення. При застосуванні методу аналогії вибирають об’єкт-оригінал із відомого знання, а досліджуваний об’єкт розглядають як об’єкт-аналог. Висновок, зроблений за методом аналогії стосується об’єкта-аналога. На основі подібностей об’єкта-оригінала та об’єкта-аналога (які, на перший погляд, не піддаються порівнянню) виникають інтуїтивні передбачення щодо способів розв’язування проблеми. При цьому виробляється вміння застосовувати вже відомі способи розв’язування задач у нових навчально-практичних ситуаціях.

Застосування методу аналогій при вивченні різних розділів фізики


Застосування методу аналогії уже багато років реалізовано різними науковцями у таких питаннях: аналогія поступального та обертального рухів; аналогія гравітаційного та електростатичного полів; застосування аналогії при вивченні послідовного і паралельного з’єднання елементів; аналогія в задачах на обчислення роботи змінних сил; аналогія у коливальних процесах; застосування електромеханічної аналогії до розв’язування аналогічних задач; аналогія в геометричній оптиці; застосування аналогій при визначенні середніх величин.

Цінність одночасного вивчення поступального і обертального рухів полягає в тому, що відбувається з’ясування суті моменту інерції, моменту сили, моменту імпульсу тощо. При розв’язуванні задач на закони збереження у механіці і електростатиці була виявлена можливість розв’язувати їх за єдиною схемою, оскільки електростатичне поле і поле сили тяжіння - потенціальні. Головними елементами розглянутих задач були закони збереження імпульсу поступального і обертального рухів при непружному ударі та закон збереження заряду. Розв’язування задач на рух тіла, кинутого під кутом до горизонту (модель-оригінал) у порівнянні з розв’язуванням задач на рух зарядів у полі конденсатора (модель-аналог) виявляється плідним, оскільки полегшує розв’язування аналогічних задач.

Досліджено єдиний алгоритм розв’язування простих задач на послідовне і паралельне з’єднання елементів. За модель-оригінал беруться з’єднання конденсаторів, а з’єднання резисторів та пружин розглядаються як моделі-аналоги. Під час вивчення теми “Постійний електричний струм” заповнюється таблиця для з’єднань конденсаторів і резисторів. У процесі вивчення теми “Гармонічні коливання” таблиця доповнюється з’єднаннями пружин.

Аналогія коливань різних фізичних систем демонструється у таблиці, яка складена за таким алгоритмом: рисунок, який зображує певну коливальну систему; рівняння, яке описує коливання даної системи; відповідне диференціальне рівняння другого порядку; розв’язок диференціального рівняння; формула для кутової швидкості коливань; формула періоду коливань. Саме з рівнянь, які описують коливання відповідних систем видно аналогію між механічними та електромагнітними величинами: масі відповідає індуктивність, коефіцієнту пружності – величина обернена ємності, координаті – заряд, лінійній швидкості – сила струму тощо.

Паралельне вивчення механічних коливань та коливань у коливальному контурі унаочнює аналогію механічних і електромагнітних величин та формул. Складена для них таблиця полегшує і скорочує хід розв’язування задач на визначення періоду коливань складних механічних і електромагнітних систем у порівнянні з відомими методами розв’язування цих типів задач.

Метод аналогії дає можливість використати метод середнього у різних розділах фізики. Метод середнього застосовуємо при розв’язуванні задач на визначення середніх величин, параметрів і характеристик: суміші газів або рідин, неоднорідних тіл, нерівномірних рухів, неоднорідних діелектриків тощо.


Використання життєвих компетенцій учнів під час формування фізичних знань


Часто для пояснення певних тем вчитель може звертатись до аналогічних понять з одного розділу фізики, чи аналогічних понять із різних розділів, чи навіть до аналогічних понять із розділів несуміжних наук. Але бувають випадки в навчальній практиці, коли вчителю простіше звернутись до життєвого досвіду учнів, використовуючи його набуті життєві компетенції.

Таке звернення може відбутися вже на одному з перших уроків в 7 класі. Пояснюючи тему «Броунівський рух» можна в ролі молекул уявно взяти першокласників, які на перерві хаотично бігають в коридорі, а в ролі броунівської частинки – одинадцятикласника, який намагається стояти спокійно і читати книжку. З усіх боків старшокласника штовхають малята, і, якщо уявити першокласників невидимими, то дивний рух старшокласника – це і є рух «великої броунівської частинки». Ця аналогія дає можливість уникнути помилки, яку часто роблять учні, плутаючи тепловий рух молекул і броунівський рух.

Ще один приклад. При вивченні теми «Струм у напівпровідниках» для пояснення розриву валентних зв’язків розповідаємо про 2 людські родини. В одній родині є 4 дочки, в другій – 4 сини. Батьки одружили між собою пари, таким чином кожна пара є спільною для одних і інших батьків (ковалентний зв’язок). Якщо ж хоча б одна пара розлучається, то чоловік стає вільним і є аналогом вільного носія заряду (або зв’язаного, якщо почне відбивати жінок у своїх товаришів). Це аналогія, яка дає змогу зрозуміти фізичну суть власної провідності напівпровідників. Домішкова ж провідність пояснюється на основі спостережень за сім’ями з 4 дочками і 5 синами або 4 дочками і 3 синами. Такий метод пізнання світу напівпровідників описаний в книзі Е. Айсберга «Транзистор? Это очень просто!».

Роль сім’ї також можна використовувати при поясненні закону Ома для повного кола і поняття внутрішнього опору джерела струму. Те, що джерело має свій внутрішній опір і бере частину енергії, яку виробляє собі дуже схоже на харчування в сім’ї. Діти усвідомлюють той факт, що мама, яка готує їжу на всю сім’ю, сама обов’язково буде вживати цю їжу. Тільки одні мами ідуть на «самопожертву» і дуже мало споживають таку енергію (це батарейки з малим внутрішнім опором), а інші погано доглядають за дітьми, і самі споживають багато їжі, яку приготували (джерела, на яких іде великий спад напруги на внутрішньому опорі). При цьому ще раз наголошуємо, що спад напруги – це і є та частина енергії, яка витрачається на перенесення одиничного заряду (і тут можна провести лінію-аналогію з витраченням частини енергії під час теплопередачі на одиницю маси, тобто питомою теплотою).

Найдоцільніше використовувати метод аналогій і життєвих компетенцій учнів при вивченні тих розділів, де інші методи застосувати дуже важко. Це в першу чергу стосується квантової фізики. Яскравим прикладом є пояснення «хіггсовського механізму». Точніше це не стільки пояснення, скільки наочна ілюстрація думки – при русі частинки крізь яке-небудь середовище може з’явитися інертність. Найпростіше пояснення – аналогія між хіггсовським полем і людьми на вечірці. Уявляємо залу з гостей. Раптово в приміщення входить якась відома людина, і навколо неї утворюється підвищена концентрація людей, які бажають з нею поспілкуватися. Під час його руху щільна група людей переміщується разом з ним. Це виглядає так, начебто у рухомого об’єкта з’явилась додаткова маса через спілкування з «людським фоном». Це і є аналогія маси, яку набуває частинка, що рухається крізь хіггсовське поле. Якщо ж представити, що людина, що з’явилась у дверях, розповіла найближчим до виходу людям якусь чутку, то вони стануть передавати цю чутку далі й далі. В результаті виникла «хвиля», що переміщається по кімнаті і притягує до себе сусідів. це аналог бозона Хіггса.

Це пояснення було придумано одним з переможців конкурсу на найзрозуміліше односторінкове пояснення хіггсовського бозона, який оголосив у 1993 році британський міністр науки Вільям Волдгрейв.

Більш фізичне, і разом з тим наочне пояснення, яке запропонував інший учасник конкурсу. якщо взяти шматок пенопласту і покришити його на стіл, то вони розлітаються при найменшому вітерці. Це аналогія безмасових частинок, тобто частинок з дуже малою інертністю. Якщо ж обережно налити води, і в неї занурити легенькі пенопластові кульки, то під час вітру кульки відпливають, але не так охоче. Якби ми не бачили воду, нам би здавалося, що у кульок з’явилась інертність, якої раніше не було. Ця інертність виникає через те, що їм під час руху необхідно протискуватися крізь воду. Вода в цій аналогії відіграє роль вакуумного хіггсовського поля, а брижі на воді – аналог хіггсовських бозонів.

Для розвитку економіки, курс на який бере сучасна Україна, країні будуть все більше потрібні кваліфіковані інженери, які глибоко розуміють не тільки механіку і електрику, а й квантову фізику, що сприяє швидкому розвитку наноелектроніки та нанотехнологій. Оскільки концепції цього розділу фізики лежать за межами образно-наочного сприйняття, то це спонукає до використання аналогій, які допомагають розвивати «квантову інтуїцію», «квантове мислення», сприйняття єдиної фізичної картини світу.

Життєві компетенції використав Ервін Шредингер ще в 1935 році, пояснюючи поведінку електронів, які володіють загадковими властивостями зникати на одній орбіті і одночасно з’являтися на іншій (квантування орбіт). Ця логічна загадка отримала назву «кішка Шредингера».

Щоб якось пояснити феномен мікросвіту з «телепортацією» електронів, учені вимушені були припустити, що елементарні частинки можуть існувати і у вигляді корпускул і у вигляді хвиль. Видатний Луї де Бройль припустив, що кожній частинці відповідає хвиля, що заповнює весь простір. Амплітуда цієї хвилі максимальна там, де ймовірніше всього знаходиться частинка. Але в будь-який момент без видимого переходу вона може змінити місцезнаходження. Шредингер, розмірковуючи про дивацтва поведінки частинок, поставив уявний експеримент, який досі бентежить розум.

Припустимо, - сказав учений, - в закритому ящику знаходиться кішка. Там же є лічильник Гейгера, балончик з отруйною речовиною і радіоактивна частинка. Якщо остання проявить себе як частинка, лічильник спрацює, ввімкне балончик з газом і кішка помре. Якщо частинка буде поводити себе як хвиля, лічильник не зреагує, і тварина, відповідно, залишиться живою.

Що можна сказати про кішку, дивлячись на закритий ящик?

З життєвої точки зору кішка або жива або ні. Але закони квантової фізики передбачають, що кішка і жива, і мертва одночасно з імовірністю 0,5. І такий дивний стан буде продовжуватися, доки який-небудь спостерігач не зніме цю невизначеність, подивившись до ящика.

Здавалося б до макросвіту ці міркування не застосовні (простіше кажучи «що дозволено електрону, людині – ні-ні!), але в 1997 році Девід Ричард із Массачусетського університету, а потім Кристофер Монро із інституту стандартів і технологій (США) експериментально показали реальність парадоксу «кішки Шредингера». Однозарядний йон гелію зупинили, знизивши температуру майже до абсолютного нуля. У єдиного електрона на орбіті існувало дві можливості – обертатися за годинниковою стрілкою або проти. Але за допомогою лазерного променя фізики позбавили частинку вибору. Тут і відбулося неймовірне. Атом гелію роздвоївся, реалізовуючи себе одразу у двох станах – в одному електрон обертався за годинниковою стрілкою, в другому – проти. І хоча відстань між цими станами була всього 83 нанометри, але на інтерференційній картині сліди від двох атомів.



Цей експеримент не просто став реальним фізичним еквівалентом «кішки Шредингера», яка жива і мертва одночасно, а й показав, що не тільки мікро, але й макросистеми можуть в певних умовах роздвоюватися чи миттєво переноситися в просторі. Так аналогія з використанням життєвих компетенцій наблизила людей на один крок до розуміння можливості телепортації не тільки в мікросвіті, а й в макросвіті.

Висновки. Роль методу та межі його застосування


Метод аналогій може використовуватися там, де інші методи не дають очікуваних результатів навчання, коли немає можливості провести наочний експеримент або фізичний зміст явища чи поняття не є очевидним. Цей метод використовується також тоді, коли необхідно зекономити час на вивчення теми. Якщо інша тема має аналогічні поняття, то порівняльна таблиця дає можливість обмежитися створенням асоціативних зв’язків і вивільнити час на формування практичних навичок. На кожному уроці учитель повинен використовувати різні методи навчання, в том у числі і метод аналогій. Але кожний з цих методів повинен допомагати учителеві досягати головної мети – домогтися розуміння учнями фізичного змісту явища.

Рекомендована література з теми


  1. Автореф. дис. канд. пед. наук: 13.00.02 / Л.І. Вовк; Нац. пед. ун-т ім. М.П.Драгоманова. — К., 2004. — 20 с. — укp.

  2. Вовк Л.І. Роль методу аналогії при викладенні фізики у вузі // Наукові записки: Зб. наук. праць. - Харків: ХДУ, 1998. - С. 129-132.

  3. Вовк Л.І. Використання аналогій для визначення параметрів суміші газів // Фізика і астрономія в школі. - 2000. – № 4 – С. 12; 39; 40; 49.

  4. Вовк Л.І. Аналогії у геометричній оптиці // Фізика і астрономія в школі. – 2000. – № 1. – С. 34-37.

  5. Вовк Л.І. Значення використання аналогій у навчанні для розвитку мислення студентів // Вісник ЧДПУ ім. Т.Г.Шевченка. – Вип. 3. Серія: Педагогічні науки: Збірник: Чернігів: ЧДПУ, – 2000. – № 3. – С. 21-22.

  6. Вовк Л.І. Аналогії у навчанні // Матеріали VIII Міжнародної Наукової Конференції імені академіка М. Кравчука. – К.:НТУУ (КПІ), – 2000. – С. 500.

  7. Вовк Л.І., Михайлик П.Я. Використання аналогії – одна з ефективних форм узагальнення і систематизації знань // Дидактичні проблеми фізичної освіти в Україні: Матеріали науково-практичної конференції. – Чернігів: ЧДПУ, – 1998. – С. 27-30.

  8. Вовк Л.І., Лобань В.П. Метод аналогії як один із шляхів інтенсифікації навчання фізиці у вузі // Інтенсивні технології у навчальному процесі – головна умова покращення якості підготовки фахівців: Матеріали науково-методичної конференції. – Полтава: ПКІ, – 1997. – С.116-117.

  9. Вовк Л.І. Використання методу аналогії у проблемному навчанні // Методологічні, дидактичні і психологічні аспекти проблемного навчання: Матеріали науково-методичної конференції. – Полтава: ПКІ, 1998. – С. 198-205.

  10. Вовк Л.І., Михайлик П.Я. Фізика. Блочний метод розв’язування задач з використанням аналогії. Механіка: Методичний посібник для студентів фізико-математичних факультетів. – Полтава: ПДПІ, – 1998. – 23 с.

  11. Вовк Л.І., Михайлик П.Я. Застосування аналогій при розв’язуванні задач на закони збереження // Фізика і астрономія в школі. – 1998.– № 4. – С. 51-52.

  12. Михайлик П.Я., Вовк Л.І., Куляєва О.О., Шепетя А.П. Фізика. Задачі на визначення періоду гармонічних коливань методом аналогії: Методичний посібник. – Полтава: Редакційно-видавничий відділ ПОІПОПП, – 2000. – 23 с.

  13. Вовк Л.І., Михайлик П.Я. Аналогія в задачах на обчислення роботи змінних сил // Фізика в школах Полтавщини (для обдарованих учнів, студентів, аспірантів, викладачів): Науково методичний збірник статей. – Вип.2. – Полтава: АСМІ, – 2000. – С. 77-84.

  14. Матеріали сайту http://elementy.ru

  15. Матеріали сайту http://ru.wikipedia.org/wiki/Механизм_Хиггса

  16. Гапоненко Сергей Хильманович Валентина Номер 3(73) 2009 Квантовые законы микромира

  17. Парадокс кошки Шредингера http://bibliotekar.ru/index.files/1/620.htm

  18. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кот_Шрёдингера

  19. http://www.abc-people.com/phenomenons/txt-3.htm



База даних захищена авторським правом ©shag.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка