” як засіб формування устудентів навиків стилю наукового дослідження
Удержавному стандарті фізичної освіти особлива увага звертається на розвитокнаукового мислення і творчих здібностей молоді. На сучасному етапі проблемарозвитку творчого мислення набуває особливого значення. Україні потрібніінтелектуально розвинені, творчо обдаровані особистості. Реалізувати цей аспектнавчання студентів можна лише за умови їхньої активної розумової діяльності упроцесі здобуття знань та формувань практичних умінь та навичок.
Значною мірою цьому сприяє розв’язування фізичнихзадач, особливо експериментальних, які є усвідомленою інтерпретацією науковихметодів пізнання. Робота з експериментальними задачами вимагає від студентівнеординарного, творчого мислення, наближає їх на прикладі реальної ситуаціїзадачі до творчої уяви, самостійної постановки методів і шляхів розв’язанняпроблеми, до стилю наукового дослідження.
Членинауково-методичного гуртка протягом кількох років займаються вирішенням названоїпроблеми шляхом розробки і виготовлення експериментальних завдань типу “чорноїскриньки”. Спостереження свідчать, що учням і студентам подобаються завданнятакого типу, вони збуджують інтерес до вивчення фізики, змушують їх проявитисвою індивідуальність, стимулюють самостійну активність, моделюють дослідницькіметоди наукового пізнання фізики, формують навички наукової праці. Намирозроблено і виготовлено десятки різноманітних завдань типу “чорної скриньки”,які успішно демонструються вчителям фізики на обласних семінарах, і досліджуютьїх систематично переможці обласної фізичної олімпіади при підготовці до участіу всеукраїнській олімпіаді. Над цими завданнями з цікавістю працюють студентинашого факультету на заняттях фізпрактикуму та при написанні курсових робіт зметодики фізики.
Завдання типу “чорної скриньки” за змістомможуть бути різноманітні: з механіки, електрики, магнетизму, оптики та інші.Наприклад, при вивчені магнітних явищ у 8 класі можна використовувати “чорніскриньки” у формі кубиків, всередині яких закріплено керамічні магніти здовільною орієнтацією магнітних полюсів. За допомогою індикатора – магнітноїстрілки або компаса потрібно дослідити розміщення магнітів у ящику.
Ще більшу цікавість викликає дія “чорноїскриньки” на піднесену до неї учнівську ручку: загоряється сигнальна лампочка ідзвонить електродзвінок. Виявляється, що в учнівську ручку вмонтованоциліндричний магніт, який при піднесені до “чорної скриньки” своїм магнітнимполем діє на геркон, що замикає просте електричне коло електродзвінка ілампочки.
Найчастіше завдання типу “чорноїскриньки” використовують при розв’язуванні задач на розрахунок електричних кіл.Така скринька має вигляд непрозорої коробки, в якій містяться електричніелементи (резистори, конденсатори, діоди та інші), певним чином з’єднані міжсобою. На коробці встановлюються затискачі, з’єднані з вузловими точками схеми.Користуючись джерелом струму і відповідними вимірювальними приладами,пропонується визначити характер використаних елементів та зобразити можливийваріант схеми їх з’єднання.
Отже, “чорна скринька” – це закрита система, яка має“вхід” і “вихід”, внутрішній вміст якої потрібно визначити. Для цього на вхід“чорної скриньки” подається певний сигнал від джерела постійної або змінноїнапруги, звукового генератора та ін., а на виході знімається певна інформаціяза допомогою вимірювальних приладів, а тоді на основі дослідження отриманихрезультатів необхідно “відкрити” вміст “чорної скриньки”. Таким чином, урозв’язуванні завдань типу “чорної скриньки” формуються елементи науковогодослідження: на основі інформаційних фактів висувається гіпотеза структури“чорної скриньки”, яка перевіряється дослідно і підтверджується абовідкидається.
/>Для прикладу розглянемо методикудослідження “чорної скриньки”.
Задача 1. За допомогою омметра дослідити, які елементиелектричного кола є в “чорній скриньці”. Накреслити схему з’єднань цих елементів.“Чорна скринька” має чотири клеми, позначені цифрами 1, 2, 3, 4.
Розв’язання
Дослідження вмісту “чорної скриньки” в цій задачі зводиться до того,щоб за допомогою омметра знайти опір між кожною парою клем “чорної скриньки” ірезультати записати у відповідну таблицю. Нехайодержимо такі дані:
АналізСерії дослідів І серія ІІ серія ІІІ серія IV серія Вимірювання опорів між клемами 1-2 1-3 1- 4 2-3 2- 4 2-1 3-4 3-1 3-2 4-1 4-2 4-3 Результати вимірювань R1 R3
100 300 0
R2 R1 R1
200 100 100
R3 R3 R2
300 300 200
R1 R3
0 100 300
Порівняєморезультати вимірювань опорів у прямому і зворотному напрямках, тобто варіантидослідів 1-2; 2-1; 1-3; 3-1; 1-4; 4-1; 2-3; 3-2; 2-4; 4-2; 3-4; 4-3. Ці опори мають відповідно однакові значення. Отже, в колі відсутні діоди, а сталістьпоказів омметра доводить, що конденсатори також відсутні. У “чорній скриньці”,очевидно, є лише резистори. Накреслимо можливі варіанти з’єднання резисторів(Мал.2).
На основірезультатів вимірювань, порівнюючи одержані схеми, синтезуємо їх в одну. СхемиІ і ІV серій тотожні, а тому вивчають тільки серії І, ІІ і ІІІ. З 1 схемивидно, що клеми 1 і 4 з’єднані між собою, а тому резистор R1 між 2 і 4 клемамив схемі 2, а також резистор R3 між клемами 1 і 3 в схемі 3 зайві. З першої йдругої схем видно, що між клемами 1 і 2 увімкнено резистор R1, а зі схем 2 і 3з’ясовуємо, що між клемами 2 і 3 увімкнено резистор R2. Зі схеми 3 випливає, щоніякого резистора R3 не існує, а він, очевидно, є результатом з’єднання резисторів R1 та R2. Отже, можна наоснові синтезу всіх схем припустити (висунути гіпотезу), що в “чорній скриньці”є два резистори опорами R1 та R2, які з’єднані за схемою малюнка 3.
Перевірказа результатами вимірювань опо-рів омметром на основі таблиці та за схемами 1 –4 підтверджують достовірність нашого припу-щення.
Проаналізуємоще один приклад застосу-вання елементів наукового дослідження при розв’язуваннізадачі типу “чорної скриньки”.
Задача 2. Дано “чорна скринька” з клемамиА і В. За допомогою джерела струму (гальваніч-ний елемент з e= 1,5 В) і амперметра визначити, яке електричне коло міститься всередині “чорної скриньки”.Розв’язання
/>Щоб отримати факти, на основі яких можна було бвисунути припущення (гіпотезу) про вміст “чорної скриньки”, потрібно спочаткузапланува-ти різні варіанти експериментального досліджен-ня, враховуючи умовузадачі, що дано лише амперметр і джерело струму.
Очевидно,після обдумування тут можливі такі варіанти дослідження:
1. Приєднати послідовноамперметр і джерело струму до клем АВ “чорної скриньки” і виміряти силу струму.
2. Помінятиполярність джерела струму і знову виміряти силу струму.
3. Оскількив умові задачі відсутні будь-які застереження, то можна лише один амперметрприєднати до клем “чорної скриньки”, щоб виявити, чи є джерело струму всерединіскриньки. Залежно від конструкції скриньки можливі різні випадки результатіввимірювань. Дослідимо два з них:
1. Нехай при зміні полярності джерел струму амперметрпоказав зменшення сили струму в 2 рази (І1=1А; І2=0,5А),напрям струму не змінився.
У цьомувипадку зрозуміло, що в “чорній скриньці” має бути джерело струму з eх> e (інакше при перемиканні полярності зовнішнього джерела струму напрямструму має змінитися на протилежний). Найпростіше можливе коло в цьому випадкускладатиметься: батарейка з eх і послідовно з нею резистор Rx. Тоді за першимидвома дослідженнями маємо:
/>/> />
де eх – електрорушійна сила батарейки; e – електрорушійна сила зовнішнього джерела.
Розв’яжемо отриману системурівнянь шляхом ділення лівих і правих частин:
/> /> /> Þ
2ex – 2e = ex+ e;
ex = 3e, отже eх = 4,5В
/> />
ДоRx може належати і внутрішній опір батарейки. Перевірити достовірністьотриманого результату розв’язку можна експериментально, приєднавши до клем“чорної скриньки” амперметр. Він повинен наближено показати силу струму /> І = 0,75А.
2. Нехай при зміні полярності джерела струму силаструму зменшується вдвічі (І1=1А; І2=0,5А) і напрямструму змінюється на протилежний. Очевидно, в цьому випадку можливі різнісхеми елементів у “чорній скриньці”:
а) Якщо всередині “чорної скриньки” є батарейка, то їїелектрорушійна сила повинна бути меншою від електрорушійної сили джерела, eх
/> /> />;
/>
2e – 2eх = e+ eх;
ex=1/3e; отже ex= 0,5В,
/> RX = 2 Ом.
/>
Для перевірки при підключенні до клем “чорноїскриньки” амперметра сила струму наближено повинна дорівнювати:
/> І1= 0,25А.
Мал. 5
б) Результатвимірювань буде однаковий, якщо в “чорній скриньці” вміщено резистори і діоди,простіші схеми з’єднання яких показано на малюнку.
Упершій схемі лівий ряд відкритий, а правий закритий, сила струму
/>, звідки />, Rx = 3Ом.
Якщо полярністьзовнішнього джерела змінити, то лівий діод закриється, а правий відкриється, ісила струму:
/>, />
тобто сила струмузменшиться в 2 рази, і напрям струму зміниться на протилежний.
Усхемі 2 діод відкритий і обидва опори ввімкнено паралельно, тоді сила струму:
/>; звідки /> Rx = 3Ом.
Якщополярність зовнішнього джерела струму змінити, то діод закриється і струм будепроходити лише по одному правому резистору Rх: І2=e/Rx; І2=0,5А,тобто сила струму зменшиться в 2 рази, але напрям струму зміниться напротилежний.
Якщо до клем “чорної скриньки” безпосередньо підключити амперметр, товін струму не покаже, отже, це свідчить про відсутність батарейки в “чорнійскриньці”.
Отже, з розв’язку цієї задачі можна зробити висновок, що в процесідослідження структури “чорної скриньки” використовуються елементи науковогодослідження: від достовірних фактів, що дають вимірювальні прилади, довисунення різних гіпотез (схем вмісту “чорної скриньки”), а потім до наслідків,які перевіряються експериментально. Це сприяє розвитку в студентів навиківнаукового дослідження.
Наведемоприклади набору задач типу “чорної скриньки”, розроблені і виготовлені членаминауково-методичного гуртка, які можна рекомендувати для творчої праці з учнямита студентами.
/>Задача 3. За допомогою омметра дослідити “чорну скриньку”, якамає дві вхідні клеми і перемикач на три положення.
/>
Задача 4. Дослідити “чорнускриньку” за допомогою батарейки для кишенькового ліхтарика та шкільноговольтметра.
Задача 5. Застосовуючи вольтметрвизначити, які елементи електричного кола є в “чорній скриньці”. Намалюватиможливі варіанти схеми кола.
/>
Задача 6. За допомогою омметра дослідити“чорну скриньку”. Накреслити можливі варіанти схеми кола.
/>
Задача 7. Вивчити “чорнускриньку”, застосувавши джерело живлення постійної напруги, яке можнаприєднувати лише до будь-яких двох клем різного кольору.
/>
Задача 8. Дослідити “чорну скриньку” задопомогою батарейки для кишенькового ліхтарика та шкільного амперметра,з’єднавши їх послідовно між собою і будь-якими двома клемами досліджуваноїскриньки. Накреслити можливі варіанти схеми кола./> />
/>Задача 9.Дослідити схему з’єднання електричних лампочок,застосовуючи джерело живлення постійної напруги./> />
Задача 10. Вивчити “чорнускриньку” за допомогою джерела постійної напруги, яке можна приєднати лише доклеми 1 і будь-якої іншої.
Задача 11. Дослідити багатоваріантну“чорну скриньку – комплекс” за допомогою омметра./> />
Розглянуті конструкції “чорних скриньок” і методику їхрозв’язування можна успішно застосовувати в школі і вузі для активізаціїпізнавальної діяльності учнів та студентів, що сприятиме розвитку їх творчогомислення, стилю наукового дослідження./> />
Виготовляти їх можна власними силами із широкодоступних, дешевихматеріалів, зовнішній вигляд може бути довільний згідно фантазії, а наведенісхеми вмісту також можна змінювати і ускладнювати.
Література
1. Савинцев В.Н. Экспериментальные задачис элементами исследования при изучении электри-ческих цепей // Физика в школе.– 1979. – №6 – С. 62 – 64.
2. Черкавский Н.И. Способ формированиянавыков научного исследования // Физика в школе. – 1985. – №6. – С. 44 – 45.
3. Калапуша Л.Р., Жила О.І.,Давидюк Г.Є., Ольхович Є.О. Формування творчої активності учнів унавчальному процесі з фізики. – Луцьк, 1988.
4. Фізика: Всеукраїнські олімпіади: Завдання таїх розв’язування / Авт.-упоряд. С.І.Гончаренко. – К.: Либідь, 1997. – 176 с.