CC BY
90
Международный электронный научный журнал ISSN 2307-2334 (Онлайн)
Адрес статьи: pnojournal.wordpress.com/archive16/16-05/ Дата публикации: 1.11.2016 № 5 (23). С. 36-45. УДК 372.853
А. А. Машиньян, Н. В. Кочергина
Демонстрационно-информационные комплексы школьного курса физики как средства формирования естественнонаучной грамотности
В статье предложена методика создания демонстрационно-информационных комплексов курса физики, направленных на формирование и развитие у учащихся естественнонаучной грамотности. Естественнонаучная грамотность - компетенция решения естественнонаучных проблем, предполагающая: 1) умение идентифицировать и объяснять природные явления; 2) владение методами естественнонаучного исследования; 3) умение интерпретировать данные и использовать научные доказательства для получения выводов. Методика реализуется в три этапа: выделение когнитивных барьеров темы, создание комплексных средств обучения и создание демонстрационно-информационных комплексов. Демонстрационно-информационные комплексы формируют специальную информационно-образовательную среду, погружаясь в которую учащиеся овладевают предметными и метапредметными компетенциями и, в конечном счете, естественнонаучной грамотностью.
Ключевые слова: когнитивный барьер, комплексное средство обучения, демонстрационно-информационный комплекс, естественнонаучная грамотность, информационно-образовательная среда
Perspectives of Science & Education. 2016. 5 (23)
International Scientific Electronic Journal ISSN 2307-2334 (Online)
Available: psejournal.wordpress.com/archive16/16-05/ Accepted: 1 October 2016 Published: 1 November 2016 No. 5 (23). pp. 36-45.
A. A. Mashinyan, N. v. Kochergina
Demonstrational-information complex of the school physics course as a means of formation of scientific literacy
In the article offered methodology of creation of demonstrational - information complexes of physics course, aimed at forming and developing learner's scientific literacy. Scientific literacy this is the competence of solving scientific problems, including: 1) ability to identify and to explain natural phenomena; 2) ability to implement the natural science research methods; 3) ability to interpretation of data and to using scientific evidence in the preparation of conclusions. The methodics is implemented in three stages: the allocation of cognitive barriers of theme, the creation of complex means of teaching and the creation of demonstrational - information complexes. Demonstrational -information complexes form a special informational - educational environment, inside which learners can master subject competences and meta-subject competences, and in ending - they will possess of scientific literacy.
Keywords: cognitive barrier, comprehensive training tool, demonstration and information complex, scientific literacy, informationally educational environment
Формирование естественнонаучной грамотности (ЕНГ) у школьников - актуальная образовательная задача, связанная с развитием метапредметной компетентности учащихся. Уровень ЕНГ учащихся оценивается по их способности выполнять метапредметные задания. Международные педагогические исследования PISA на протяжении 15 лет показывают, что уровень естественнонаучной грамотности у
российских школьников недостаточно высок [1]. Очевидно, что формирование ЕНГ не сводится к интеграции предметных знаний, умений и навыков по физике, химии, биологии. Для решения этой образовательной задачи необходимо применение специальных технологий и средств, способных выработать у учащихся особое отношение к осмыслению метапредметных заданий и принципиально иной подход к их выполнению.
Для решения метапредметных заданий школьникам нужна широта взгляда и естественнонаучная эрудиция, нестандартность подходов, а иногда даже асимметричность и парадоксальность мышления. Все эти качества относятся к когнитивным функциям и должны формироваться с помощью соответствующих педагогических технологий. Ранее нами были исследованы комплексные средства обучения и демонстрационно-информационные комплексы, являющиеся их информационной надстройкой [2]. Было установлено, что они могут составлять основу педагогических технологий, необходимых для успешного преодоления когнитивных барьеров.
Следствием данной цепочки рассуждений является неизбежность понимания возможной роли демонстрационно-информационных комплексов и комплексных средств обучения в формировании у российских школьников естественнонаучной грамотности.
Принимая во внимание современные тенденции в образовании, можно в широком смысле трактовать понятие естественнонаучной грамотности как компетенции решения естественнонаучных проблем. В этом определении отражены три важные характеристики: общая цель естественных наук, варьирование степени про-блемности в обучении, интегрированный характер области изучения.
Существенный вклад в решение проблемы формирования ЕНГ могут внести современные комплексные средства обучения, объединенные в демонстрационно-информационные комплексы (ДИК).
Методика создания демонстрационно-информационных комплексов состоит из трех этапов:
1.Выявление когнитивных барьеров по конкретной теме курса физики и/или естествознания.
2.Создание комплексного средства обучения, позволяющего преодолеть когнитивный барьер.
3.Формирование демонстрационно-информационного комплекса в качестве информационно-образовательной среды.
С практической точки зрения когнитивным барьером можно считать естественную совокупность трудностей, которую при традиционном характере обучения не преодолевают более половины школьников. Когнитивные барьеры возникают при освоении любой школьной дисциплины, такие барьеры имеют отношение к конкретным предметам и теориям.
Естественнонаучные когнитивные барьеры не имеют предметной локализации, но связаны с естественными (а не искусственно созданными) трудностями понимания, объяснения, интерпретации, применения природных закономерностей и технических устройств. Естественнонаучные когнитивные барьеры могут быть обусловлены только интеллектуальными
трудностями естественнонаучного познания. Это возможно когда возрастные и индивидуальные особенности школьника обеспечивают соответствие его психофизиологических возможностей уровню сложности теоретического представления и научного содержания проблемы.
Анализируя задания PISA [3], мы выделили основные виды естественнонаучных когнитивных барьеров:
- переход от традиционной тематики естественных наук к междисциплинарной и мета-предметной проблематике;
- варьирование уровня общности проблем от личностного до глобального;
- включение заданий, жизненных ситуаций с интегрированным содержанием;
- опора на широкий набор компетенций от идентификации и научного объяснения явлений, распознавания и постановки научных вопросов, до решения исследовательских задач, планирования и проведения исследований;
- требования доказательных формулировок, обоснований и представления полных развернутых ответов и др.
В практической плоскости формирование естественнонаучной грамотности предстает в виде преодоления школьником череды когнитивных барьеров в процессе усвоения естественнонаучных знаний и компетенций, их комплексного применения при решении естественнонаучных задач и проблем. В образовательной деятельности эффективным помощником в преодолении когнитивных барьеров является комплексное средство обучения (КСО) и его дидактическая оболочка демонстрационно-информационный комплекс (ДИК).
Под комплексным средством обучения (КСО) мы понимаем концентрированное объединение на базе современной аудиовизуальной, информационной и компьютерной техники натурных опытов и средств обучения, соответствующее всем требованиям учебного комплекса, как в отношении методических, так и в отношении эргономических характеристик, основной задачей которого является достижение наибольшего педагогического эффекта [4]. К КСО могут относиться:
- компьютерные модели физических явлений, объектов и технических устройств;
- учебные физические устройства, функционирующие под управлением компьютера;
- лабораторные и демонстрационные установки, собранные на базе компьютера;
- анимированные или отснятые и специальным образом обработанные на компьютере учебные видеосюжеты;
- обучающие и контролирующие компьютерные программы и др.
Демонстрационно-информационный комплекс является методической оболочкой комплексного средства обучения. Демонстрационно-
информацион-ные комплексы изучения каждой темы и, следовательно, каждого раздела отражают содержание безбарьерной информационно-образовательной среды, погружаясь в которую, учащийся может овладевать естественнонаучной грамотностью.
При создании демонстрационно-информационных комплексов встает вопрос о критериях сформированности естественнонаучной грамотности. Традиционно он решается путем выделения основных компетенций и уровней их сформированности. Основными компетенциями в рамках формирования естественнонаучной грамотности являются:
1. Умения идентифицировать и объяснять природные явления.
2. Владение методами естественнонаучного исследования: наблюдением, экспериментом и всеми методами в их составе.
3. Интерпретация данных и использование научных доказательств для получения выводов.
Сформированность именно этих компетенций целесообразно считать критериями сформированности естественнонаучной грамотности. Однако среди критериев PISA используются еще и уровни сформированности указанных компетенций. Разные уровни считаются достигнутыми при решении учащимися задач разной степени сложности от 1-2 до 5-6. Результаты исследования PISA-2015 свидетельствуют о том, что примерно 80 процентов Российских школьников решают задачи 1-2 уровня сложности и примерно 3 процента - задачи 5-6 уровня сложности.
Операционный состав указанных выше трех компетенций для трех позиций сложности, соответствующих 1-2, 3-4, 5-6 уровням, приведен в таблице 1.
Очевидно, что даже применение (тем более создание) демонстрационно-информационных комплексов на основе комплексных средств обучения требует специальной подготовки учителя. В разные периоды подготовка будущих учителей физики к созданию демонстрационно-
информационных комплексов осуществлялась вначале в рамках спецкурсов вариативной части, затем - курса ТиМОФ базовой части (по обновленным ФГОС ВПО). Современные ФГОС ВО предполагают формирование у каждого учителя профессиональной компетенции: «способность использовать современные методы и технологии обучения и диагностики» (в рамках бакалавриата - ПК-2, магистратуры - ПК-1).
Формирование у учащихся умений идентифицировать и объяснять естественнонаучные явления рассмотрим на примере автоколебаний, которые так широко распространены в природе и технике. Когнитивный барьер в этом случае связан с трудностью различения автоколебаний и вынужденных колебаний. В первом случае источник энергии не является периодическим и дозирование поступления энергии в систему осуществляется самой системой, благодаря организации обратной связи. В строго выверенные моменты времени с помощью специального механизма - клапана обратной связи - колебательная система открывает доступ энергии в унисон колебаниям. Причем дозирование количества энергии обратно зависит от флукту-аций амплитуды колебаний в данный момент времени (обратная связь - отрицательная).
В сети Internet размещено много ошибочных примеров, когда за автоколебания выдаются вынужденные колебания. В одном из таких сюжетов [5] показан лист растения, который колеблется под действием струи воды. Это явление автор сюжета однозначно интерпретирует как автоколебания.
Указанный видеосюжет может быть взят для создания проблемной ситуации. Учащиеся, согласно современным требованиям, должны поставить вопросы: «Является ли на самом деле эта биологическая система автоколебательной?» Следующим этапом исследования является выяснение состава и принципов действия автоколебательных систем.
«Автоколебания - незатухающие колебания, поддерживаемые в диссипативной системе за
Таблица 1
Состав основных компетенций естественнонаучной грамотности
Уровни сложности Компетенции естественнонаучной грамотности
Идентификация и объяснение явления Владение методами естественнонаучного исследования Интерпретация данных и объяснение научных результатов
1-2 -простой Анализ текста, таблиц и диаграмм, чтение графиков, формулировка выводов с опорой на предметные, межпредметные и метапредмет-ныезнания Наблюдение и эксперимент: постановка задачи; выдвижение гипотезы; создание экспериментальной установки или математической модели для проверки гипотезы; выполнение опыта; представление и анализ результатов; выявление следствий, новых знаний Фиксация данных в виде таблиц и диаграмм; построение графиков; анализ данных; определение погрешностей; проверка достоверности результатов; формулировка выводов; обоснование новых результатов
3-4 -повышенный
5-6 -сложный
счет постоянного внешнего источника энергии, причем свойства этих колебаний определяются самой системой» [6, с. 231]. Автоколебания отличаются от вынужденных тем, что их частота и амплитуда определяются свойствами (внутренними настройками) самой системы. Вынужденные колебания всегда вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого внешнего воздействия. Амплитуда вынужденных колебаний зависит, с одной стороны, от амплитуды вынуждающей силы, с другой - от соотношения частоты вынуждающей силы с собственной частотой системы.
Затем учащиеся должны сформулировать вывод: «Автоколебательная система сама управляет внешними воздействиями, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужные моменты времени (в такт с ее колебаниями)». По сути, на этом этапе уже произошла идентификация явления.
На следующем этапе необходимо организовать развитие понятия автоколебания. Нужно заняться поиском других автоколебательных систем. В школьном курсе физики на этапе переноса знаний о механических колебательных системах в область электрических колебаний возникает новый когнитивный барьер, связанный с использованием не совсем удачной методики изучения электрических автоколебаний.
Самой известной автоколебательной системой являются часы с анкерным механизмом. На основе этой системы в школьном курсе физики строится изучение электрической автоколебательной системы - генератора на транзисторе. Аналогия между этими автоколебательными системами совсем не очевидна, что вызывает серьезные трудности в их сопоставлении и сравнении. В связи с этим у школьников возникают трудности в выделении существенных признаков автоколебательной системы любой природы и любого технического (природного) состава, а, следовательно, и в идентификации неизвестной автоколебательной системы.
Для преодоления данного когнитивного барьера переход от механической автоколебательной системы (часов с анкерным механизмом) целесообразно вначале сделать к мультивибратору на транзисторах (симметричному, работающему в автоколебательном режиме). Переход в изучении от анкерного механизма в механических часах к транзисторному мультивибратору позволяет по аналогии легко объяснить процессы управления подачей энергии источника постоянного тока в электрическую автоколебательную систему.
После изучения мультивибратора в качестве электрического аналога механического анкерного механизма можно приступать к объяснению роли индуктивной связи в генераторе электрических колебаний на транзисторе. Все дидактические элементы и выводы в реализации этой
методики должны подкрепляться натурными опытами, видеосюжетами и/или анимациями.
Компетенция идентификации не будет освоена (в плане формирования естественнонаучной грамотности) без переноса существенных особенностей автоколебательных систем на объекты и явления биологического, химического и другого содержания, а также без выяснения содержания понятия гомеостаза и его роли в жизни живых организмов. К классу автоколебательных систем относятся колебания в гликолизе и других метаболических системах, периодические процессы фотосинтеза, колебания концентрации кальция в клетке, колебания численности животных в популяциях и сообществах.
На тему «Автоколебания» достаточно много материала выложено в сети Интернет. Используя сюжеты естественнонаучного содержания про автоколебания, можно сформулировать вопросы и задания для школьников: «Является ли данная система автоколебательной? Начертите модель автоколебательной системы. Приведите примеры автоколебательных систем из физики, химии и биологии». В процессе работы учащиеся с удивлением узнают, что автоколебательными могут быть не только физические системы, но и химические, и биологические. Выясняют, как живые организмы выполняют автоматическую регуляцию своих жизненно важных колебательных процессов.
Комплексное средство обучения в данном случае может состоять из видеосюжетов и анимаций, позволяющих увидеть состав и структуру автоколебательных систем разной предметной принадлежности; определить уровни сложности автоколебательных систем, распространенных в быту и технике; составить модели различных автоколебательных систем.
Для проверки сформированности компетенции интерпретировать и объяснять явление автоколебаний используются, в основном, тесты. Авторами статьи создан компьютерный тест, проверяющий сформированность естественнонаучной грамотности у учащихся при изучении темы «Автоколебания».
1. Какая формулировка наиболее точно отражает содержание понятия «автоколебания» (существенные признаки):
- автоматические колебания, происходящие в природе и технике, и используемые на практике;
- незатухающие колебания в системе, которая посредством клапана и обратной связи устанавливает параметры колебаний и управляет поступлением энергии в нужные моменты времени от непериодического источника;
- незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт внешнего воздействия
- вынужденные колебания в системе, внутри которой находится источник энергии;
- колебания в системе, имеющие постоянны период и амплитуду, устанавливающиеся неза висимо от начальных условий и поддерживае мые благодаря свойствам самой системы, а н вследствие воздействия периодической силы.
2.Чем отличаются автоколебания от вынуж денных колебаний?
- наличием источника энергии;
- наличием обратной связи;
- наличием внутреннего клапана, управляю щего поступлением энергии от непериодическс го источника энергии.
3.Являются ли примерами автоколебател! ных систем следующие технические системы:
- часы с анкерным механизмом;
- игла в швейной машине;
- детские качели.
4.Являются ли автоколебаниями колебания биологических системах:
- колебания в метаболических системах;
- колебания веток деревьев;
- колебания токующих глухарей.
5.В структуру автоколебательной систем1 входят:
- колебательная система, обратная связ1 ключ;
- колебательная система, обратная связ1 ключ, клапан;
- колебательная система, обратная связь, кла пан.
6.Укажите основные части автоколебательно системы «Электрический звонок»:
- электрическая батарея, прерыватель, эле> тромагнит, якорь электромагнита, звонок;
- звонок, электромагнит, панель креплени всех элементов, электрические провода;
- источник энергии, звонок, электромагни прерыватель.
В
0
Е
к
■2
Рис. 1. Схема электрического звонка
7.Какие виды автоколебаний изучают в физике
- механические и электромагнитные;
- электрические и магнитные;
- механические и электрические.
8.Назовите основные параметры автоколебани
- амплитуда и период;
- амплитуда и энергия;
- энергия и частота.
9.Какую форму могут иметь автоколебания?
- синусоидальную и пилообразную;
Тема урока Автоколебания
Предметные компетенции Знания структуры и принципов работы автоколебательных систем
Когнитивные барьеры Трудности в различении автоколебаний и вынужденных колебаний, в выделении общих признаков механических и электрических автоколебательных систем
Средства УФЭ Часы с анкерным механизмом, мультивибратор, генератор на транзисторе
ЦОР Видеосюжет, анимация, видеофильм, тест
Дидактические средства обучения Учебник, опорный конспект, задачник, рабочая тетрадь
Организация комплекса СО Демонстрация разных видов автоколебаний, модель АКС, опорный конспект, видеоурок, задачник, рабочая тетрадь.
- видеосюжет, расширяющий объем понятия равноускоренное движение, соответствующий натурному опыту;
- компьютерную анимацию «Свободное падение тела» или видеоопыт с трубкой Ньютона;
- задачу из банка PISA, которая позволяет приобрести опыт учета закономерностей равноускоренного движения при объяснении и анализе данных.
Натурный эксперимент, позволяющий отнести равноускоренное движение к неравномерному движению, проводится в виде демонстрации. Необходимое оборудование: штатив, наклонная плоскость, тележка с капельницей, подкрашенная жидкость, метроном, бумажная лента (ширина 10 см, длина 1м).
Демонстратор регулирует падение капель в такт с ударами метронома и отпускает машину с вершины наклонной плоскости. Затем демонстрируют различие расстояний, пройденных автомобилем за одинаковые промежутки времени. Этот опыт позволяет сформулировать определение неравномерного движения: «Движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения». При правильном выборе частоты падения капель и наклона плоскости в описанном опыте можно продемонстрировать закономерность, выражаемую рядом нечетных чисел. А эта закономерность позволяет уже сформулировать определение равноускоренного движения.
Данный эксперимент имеет соответствующий видеосюжет, в частности, автором данного исследования он был создан в 2005 г. и успешно применяется до сих пор [7] . Видеосюжет относится к группе цифровых образовательных ресурсов в составе демонстрационно-информационного комплекса.
Для вывода зависимости s(t) используется аналогичный по содержанию эксперимент, который проводится лабораторно. Для этого в качестве оборудования используют: штатив, шарик, желоб, цилиндр, секундомер, рулетку.
Так как эксперимент исследовательский, учащиеся должны самостоятельно сформулировать гипотезу. Как показывает опыт тридцатилетней работы в школе и в педагогическом вузе, большинство учащихся формулируют гипотезу так: «При равноускоренном движении перемещение пропорционально времени». При проведении эксперимента данная гипотеза должна быть опровергнута. Это не несет никакой отрицательной нагрузки, а только подтверждает доказательный характер гипотезы.
Затем учащиеся проверяют гипотезу, для этого проводят опыт, выполняют измерения, анализируют полученные результаты и так далее, в соответствии с моделью естественнонаучного эксперимента, а именно: планирование эксперимента, сборка экспериментальной установки, проведение опыта (действий с оборудованием),
выполнение измерений и вычислений, анализ и представление результатов, формулирование вывода и получение следствий.
Помещая шарик на различные высоты, отпускают и фиксируют время движения (до удара шарика о цилиндр). Измеряют перемещение шарика рулеткой и заносят данные в таблицу. Затем строят график зависимости s(t). По внешнему виду графика - параболе - устанавливают квадратичную зависимость перемещения от времени при равноускоренном движении. Построение графиков и формулирование выводов исследования являются составной частью естественнонаучной грамотности.
Следующим этапом формирования компетенции является демонстрация анимации свободного падения тела. Эта анимация позволяет увидеть траекторию свободного падения тела без начальной скорости, рассчитать все кинематические характеристики движения и непосредственно процессу падения сопоставить график зависимости перемещения от времени. Данное комплексное средство обучения было подробно описано в журнале «Физика в школе» [4].
Главный вывод по результатам анимации состоит в том, что при движении с ускорением, направленным противоположно перемещению тела, ветви параболы направлены вниз. Для контроля уровня сформированности компетенций по теме «Равноускоренное движение» нами создан компьютерный тест.
Следующим этапом формирования компетенции является решение задачи PISA (Рис. 2).
ОСТАНОВОЧНЫЙ ПУТЬ
Путь за время реакции Путь за время торможения
25 м 81 м
Рис. 2. Остановочный путь автомобиля
Вопросы:
1. Определите по рисунку, какими известными вам функциями описываются: зависимость длины «пути за время реакции» от скорости, при которой водитель увидел помеху; и зависимость длины тормозного пути автомобиля («пути за время торможения») от скорости, при которой началось торможение?
2. Напишите математическое выражение для этих функции в обозначениях: и1 (длина пути за
стороны, усвоения закономерностей равноускоренного движения, с другой стороны, усвоения методов естественнонаучного исследования, и, в конечном счете, формирования компетенций естественнонаучной грамотности. Окончательный вывод о сформированности компетенции формулируется по результатам выполнения исследовательского эксперимента и решения задач PISA 3-4 и 5-6 уровней сложности.
Формирование компетенции интерпретации данных и использовании научных доказательств при формулировке выводов продемонстрируем на примере темы «Законы постоянного тока».
Когнитивным барьером этой темы является замкнутая электрическая цепь, т.е. цепь, содержащая источник тока. Учащиеся с трудом понимают, как сторонние силы поддерживают постоянную разность потенциалов на полюсах источника, почему электроны внутри источника движутся к отрицательному полюсу источника (ведь отрицательные заряды отталкиваются). Еще одной трудностью является замена активного сопротивления любым другим, например диодом.
Для преодоления школьниками указанных выше когнитивных барьеров мы предлагаем применять комплексное средство обучения, включающее:
- анимации устройства и действия источников тока;
- виртуальный эксперимент на закон Ома;
- натурный эксперимент по определению ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока;
- компьютерную модель олимпиадной задачи по теме «Постоянный электрический ток».
Для изучения устройства и принципов действия источников тока по каждому виду источников тока должны быть созданы анимации. Например, в сети Интернет размещена анимация, демонстрирующая процессы, происходящие в гальваническом элементе [8]. Она наглядно демонстрирует принцип химического разделения зарядов в источнике. Эта анимация демонстри-
Таблица 4
ДИК по теме «Равноускоренное движение»
Тема урока Равноускоренное движение
Предметные компетенции Знания понятий и законов равноускоренного движения
Когнитивные барьеры Трудности в понимании квадратичной зависимости перемещения от времени
Средства УФЭ Штатив; наклонная плоскость; сосуд с капельницей; секундомер; автомобиль; шарик; желоб; рулетка; метроном; электронный секундомер с датчиками
ЦОР Видеосюжет, анимация, видеофильм, тест.
Дидактические средства обучения Учебник, опорный конспект, задачник, рабочая тетрадь
Организация комплекса СО Демонстрация разных видов равноускоренного движения, опорный конспект, видеоурок, задачник, рабочая тетрадь.
время реакции) v1 (скорость, при которой водитель увидел помеху); L2 (длина тормозного пути) и v2 (скорость начала торможения). Как называются графики этих функций?
Для установления вида зависимости уточняется, что v1 = v2 (скорость, при которой водитель увидел помеху, равна скорости начала торможения), она переводится в м/с: 40 км/ч = 11 м/с, 80 км/ч = 22 м/с, 120 км/ч = 33 м/с. Потом составляется таблица 3.
Таблица 3
Результаты анализа задачи
У,(м/с) 11,1(1) 22,2(2) 33,3(3)
L (м) 8 17 25
1' 1 0,72 0,77 0,75
L, (м) 9 36 81
М Vi 0,81 1,62 2,43
Из анализа таблицы 3 видно, что отношение Ц/ ^ примерно одинаково, что означает: прямую пропорциональную зависимость Ц1 - длины пути за время реакции от v1 - скорости, при которой водитель увидел помеху. В традиционном варианте
эта зависимость записывается: Ц = уД, и соответ-
11
ствует закономерности равномерного движения.
Отношения же Ц2/ v1 не равны, но при увеличении скорости в 2 раза пройденный путь увеличивается в 4=22 раза, а при увеличении скорости в 3 раза - пройденный путь увеличивается в 9=32 раза. Это свидетельствует о том, что зависимость пути торможения от скорости начала торможения имеет вид: Ц2=к v12, где к - коэффициент. Данная зависимость соответствует равноускоренному движению, записанному в виде закона: Б^02/2а, где v0 - скорость начала торможения, а - ускорение.
Демонстрационно-информационный комплекс по теме «Равноускоренное движение» приведен в таблице 4.
Погружая ученика в специально созданную, таким образом среду, можно добиться, с одной
рует перенос представлений об окислительно-восстановительных реакциях в строение и принципы работы химического источника тока.
В случае, когда внешняя цепь разомкнута, напряжение между электродами (разность потенциалов) равно ЭДС гальванического элемента. Анализ данной анимации позволяет учащимся сформулировать вывод относительно работы сторонних сил химического происхождения. Эти силы переносят положительные и отрицательные заряды на положительный и отрицательный полюсы источника, соответственно. Благодаря этому поддерживается постоянная разность потенциалов - ЭДС источника тока.
В сети Интернет размещена компьютерная программа, позволяющая провести серию виртуальных экспериментов по теме «Закон Ома» [9] и сформулировать важные для формирования естественнонаучной грамотности выводы. Можно выбрать три варианта проведения опытов. В каждом из них учащиеся изменяют значения физических величин: тока, напряжения, внешнего и внутреннего сопротивления, фиксируют результаты в таблицы, анализируют их и формулируют выводы о связях этих величин.
В первом варианте (Цепь 1) учащиеся должны убедиться, что при увеличении ЭДС источника тока, сила тока тоже возрастает. Иными словами могут убедиться в прямо пропорциональной зависимости силы тока от напряжения. Они должны сформулировать соответствующий вывод. Во втором варианте опыта (Цепь 2) учащиеся должны увидеть, что с уменьшением сопротивления реостата увеличивается сила тока в цепи и напряжение на сопротивлении. Другими словами, они должны сформулировать вывод об обратно пропорциональной зависимости силы тока от сопротивления. В третьем варианте (Цепь 3) учащиеся должны сформулировать вывод, соответствующий формулировке закона Ома для полной цепи.
Натурный эксперимент по определению ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока проводится в рамках соответствующей лабораторной работы в 10 классе. Учащиеся с помощью оборудования (аккумулятора, амперметра, вольтметра, реостата, ключа и соединительных проводов) собирают цепь последовательно. Затем при разомкнутом ключе измеряют ЭДС источника вольтметром, при замкнутом ключе напряжение во внешней цепи и амперметром измеряют силу тока.
Расчет внутреннего сопротивления источника тока осуществляют непосредственно из закона Ома для полной цепи:
£
Н +г
с учетом того, что и = И • I - напряжение на внешнем сопротивлении (его измеряют). Результаты измерений и вычислений заносят в таблицу,
затем начинается процесс их интерпретации.
Внутреннее сопротивление г оказывается в десятки раз меньше внешнего и в сотни тысяч раз меньше сопротивления вольтметра. Это позволяет использовать вольтметр, не внося заметного влияния в цепь и в результаты измерений. Малое значение внутреннего сопротивления позволяет эффективно использовать прибор в качестве источника тока, а не в качестве потребителя при значительном превышении сопротивления внешней цепи.
Анализу подвергаются не только измеренные и вычисленные значения физических величин, но и их погрешности. Погрешность измерения Э.Д.С. и напряжения равна приборной погрешности вольтметра, т.к. внешнее сопротивление намного больше внутреннего.
Погрешность определения значения внутреннего сопротивления обусловлены погрешностями измерения ЭДС, силы тока и напряжения на внешнем сопротивлении. В школьном курсе физики для расчета относительной погрешности используется готовая формула, выведенная из закона Ома для полной цепи методом логарифмического дифференцирования (без учета коэффициента Стьюдента). Относительная погрешность в таком эксперименте достигает примерно 10 %, поэтому абсолютная погрешность не превышает 0,01 Ом.
Интерпретация результатов эксперимента с учетом погрешностей позволяет сформулировать выводы по работе и записать измеренные и вычисленные физические величины в стандартном виде: е = е ± Д £ и г = г ± Д г.
Для олимпиадной задачи приведено аналитическое решение и создана компьютерная модель, на основе которой построены графики (рис. 3).
Условие задачи: Определите показание идеального амперметра в цепи, схема которой приведена на рисунке. Зависимость силы тока I, протекающего через диод Д, от напряжения и на нём описывается выражением: I = а^и2 , где а = 0,02 • А/В2. ЭДС источника е = 50 В, внутреннее сопротивление источника тока г = 1 Ом, сопротивление резистора R = 19 Ом. (см. рис.3)
Аналитическое решение традиционное для школьного курса физики. Оно основывается на получении квадратного трехчлена для напряжения на диоде. Решение этого уравнения осуществляется через дискриминант - метод, прекрасно отработанный школьниками на уроках алгебры. Однако, для физической задачи он мало информативен. Такие задачи решаются школьниками легко - по шаблону, практически не вдаваясь в физическую суть полученных результатов. Так эти задачи из физических автоматически превращаются в математические. Это не способствует формированию естественнонаучной грамотности, так как происходит, как говорят психологи, «сдвиг мотива на цель»: ре-
l = a-UA2; a=0,05 A/B2; E = 50 B; r= 1 Om; R= 19 Om;
Аналитическое решение:
£ = /■{/? + г + йд=ид//;
Е = а-ид2-(/? + г) + ГА
£*•(/? +г)-1/д2+ 1-ид-£= 0;
Графическое решение
,, _-1±У(1+4(/?+г)-а-Е) .
U = 1 У(1+4-20-0,02-50) _-1 ±^/Ж = -1±9. Д1'2 2-20-0,02 0,8 0,8 '
ид= 10 В. 1 = a-U2; / = 0,02-100 = 2 А. Ответ: 2 А.
10 20 30 40 50 60 70
Рис. 3. Аналитическое и графическое решение задачи
шение квадратного уравнения из инструмента превращается в цель.
Информативность решения подобных задач повышается, если прибегнуть к физическим методам решения, а не алгебраическим. Один из них - графический. Графическое решение этой задачи составляется на основе вольтамперной характеристики диода 1=а^и2 [парабола голубого цвета], где а=0,02А/В2 и графика зависимости тока в цепи от ЭДС (Е) [парабола красного цвета]. Сам процесс построения графиков требует глубокого понимания физических процессов прохождения электрического тока по цепи. Решение задачи находится по второму графику 1(Е), при Э.Д.С. е = 50В, определяем показания идеального амперметра 1=2А. Строго говоря, для решения задачи необязательна даже вольтамперная характеристика диода, но для усиления смысловой наглядности, проверки результата и с целью полного соответствия графического решения аналитическому, мы решили привести ее на графике.
Все точки графика определены и построены в электронной таблице.
ДИК по теме «Постоянный электрический ток» представлен в таблице 5.
Итак, созданный таким образом демонстрационно-информационный комплекс позволяет сформировать у учащихся знания основных понятий и законов физики на достаточно высоком уровне, а также компетенцию интерпретировать данные и формулировать выводы. Проверку сформированное™ предметных знаний этой темы и компетенции интерпретировать данные и формулировать выводы целесообразно проводить при решении учащимися задач повышенной сложности по физике и задач PISA 5-6 уровней сложности.
Выводы
Методика создания демонстрационно-информационных комплексов курса физики позволяет 1) реализовать безбарьерное естественнонаучное обучение; 2) сформировать у учащихся основные компетенции естественнонаучной грамотности; 3) сформировать у учителя компетенции ФГОС ВО: способность использовать современные методы и технологии обучения и диагностики; способность использовать возможности образовательной среды для достижения личностных, метапредметных и предметных результатов обучения и обеспечения качества УВП средствами преподаваемого учебного предмета.
Таблица 5
ДИК по теме «Постоянный электрический ток»
Тема урока
Постоянный электрический ток
Предметные компетенции
Знания структуры цепи постоянного электрического тока, ЭДС, закона Ома для полной цепи.
Когнитивные барьеры
Трудности в различении сторонних и кулоновких сил, в использова нии нагрузки отличной от резисторов.
Средства УФЭ
Гальванический элемент, провода, резистор, диод, амперметр, вольтметр.
ЦОР
Анимации, виртуальные эксперименты.
Дидактические средства обучения
Учебник, рабочая тетрадь, задания олимпиады по физике 2016 г.
Организация комплекса СО
Демонстрация устройства электрической цепи, анимация источника тока, анимация электрической цепи, натурный эксперимент, задания олимпиады по физике.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сервер органов государственной власти Российской Федерации [сайт]. URL: http://obrnadzor.gov.ru/ru/press_center/ news/index.php?id_4=5911 (дата обращения: 06.11.2016).
2. Машиньян А.А., Кочергина Н.В. Комплексные средства обучения как основа когнитивных педагогических технологий [Электронный ресурс] //Перспективы науки и образования. 2014. №6. С. 79-90. URL: http://pnojournal.wordpress.com/ archive (дата обращения: 06.11.2016).
3. Ковалева Г.Г. и др. Международная программа PISA. Примеры заданий по чтению, математике и естествознанию. М.: ИОСО РАО. 2003. 99 с.
4. Машиньян А.А., Кочергина Н.В. Комплексные средства обучения физике //Физика в школе. 2012. № 4. С.35-41.
5. Демонстрация колебания листа растения [сайт]. URL: https://www.youtube.com/watch?v=uW03YmFk1Ls (дата обращения: 13.11.2016 ).
6. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк. 1990. 478 с.
7. Машиньян А.А. Технология проектирования и реализации демонстрационно-информационных комплексов на основе комплексных средств обучения физике. Учебное пособие для студентов педвузов. Благовещенск: БГПУ. 2006. 106 с.
8. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов. Анимация работы гальванического элемента [сайт]. URL: http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/3e0d70b2-6b4c-e282-1b7c-c952eba5a074/00144675413830244.htm. (дата обращения: 13.11.2016 ).
9. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов Эксперименты по теме «Закон Ома» [сайт]. URL: http://files. school-collection.edu.ru/dlrstore/37c160cb-66fd-4f45-f0a7-17f031e28157/00144677047358844.htm. (дата обращения: 13.11.2016 ).
Информация об авторах Information about the authors
Кочергина Нина Васильевна Kochergina Nina Vasilievna
(Россия, Москва) (Russia, Moscow)
Профессор, доктор педагогических наук Professor, Doctor of Education
Ведущий научный сотрудник Leading Researcher
Институт стратегии развития образования РАО RAO Institute of Education Development Strategy
E-mail: kachergina@mail.ru E-mail: kachergina@mail.ru
Машиньян Александр Анатольевич
(Россия, Москва) Профессор, доктор педагогических наук Ведущий научный сотрудник Институт стратегии развития образования РАО E-mail: mash404@mail.ru
Mashinyan Alexander Anatolievich
(Russia, Moscow) Professor, Doctor of Education Leading Researcher RAO Institute of Education Development Strategy E-mail: mash404@mail.ru
