ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА ПРИ УГЛУБЛЁННОМ ИЗУЧЕНИИ ЭЛЕКТРОСТАТИКИ В СТАРШЕЙ ШКОЛЕ Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

Особенности организации учебного процесса при углублённом изучении электростатики в старшей школе

Грачева Ирина Николаевна,

старший преподаватель, кафедра СУНЦ-2 «Основы физики», Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

E-mail: grachevain1580@gmail.com Коротова Ирина Алексеевна,

старший преподаватель, кафедра СУНЦ-2 «Основы физики», Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

E-mail: irinakorotowa@rambler.ru

Цель исследования - активизировать учебно-познавательную деятельность учащихся и обеспечить процесс осознанного усвоения ими материала по теме электростатика в старшей школе. В статье предлагается вариант структурирования теоретического учебного материала по данной теме, которая в определенных аспектах является проблемной как с содержательной, так и с методической точек зрения. Научная новизна исследования заключается в том, что авторы статьи разработали систему таблиц для практического применения на уроках физики наглядно отражающих весь материал темы электростатика. Такая структуризация способствует повышению эффективности преподавания предмета, изучение которого невозможно без логического, адаптирующегося к разным задачам, постоянно развивающегося мышления учащегося. В результате практического применения данной системы таблиц в "Бауманской инженерной школы № 1580" повысился процент выполнения задач по этой теме при проведении проверочных мероприятий.

Ключевые слова: электростатика; структуризация системы преподавания; эффективность обучения; методика преподавания физики.

о с

CJ

см см о см

03

Введение

Среди многочисленных целей, стоящих перед современным образованием, необходимо определить две, по нашему мнению, ключевых - это формирование системы ретранслирования накопленного человечеством опыта в изучении окружающего мира новым поколениям (учащимся) и создание условий оптимального и всестороннего развития всех потенциальных способностей каждого индивида в процессе получения знаний (обучения).

Физика как наука об основах взаимодействия мира, природы и человека - краеугольный камень в формировании у учащихся системы познания окружающего мира, его физических законов, являющихся основой современной картины естественнонаучного мира. Изучение физики необходимо для развития и совершенствования научного мировосприятия, научной системы мышления и усвоения информации, а также естественнонаучной грамотности учащихся. Курс физики в старшей школе служит прямым и последовательным продолжением курса физики средней школы. Взаимосвязь и преемственность этих курсов осуществляется в первую очередь через содержание и методы исследования физических процессов и явлений.

При организации учебного процесса преподавания физики в школе учащиеся и преподаватель зачастую сталкиваются с определенными систематическими проблемами и трудностями, такими как: отсутствие понимания учащимися основных физических законов, неумение реализовать на практике при решении задач багаж полученных ранее теоретических знаний, а также недостаточный уровень владения базовыми математическими навыками для правильного решения заданий. Для решения озвученных проблем необходимо усовершенствовать методику преподавания физики в старшей школе таким образом, чтобы она отвечала актуальным запросам учащихся и преподавателя.

Анализ результатов ЕГЭ прошлых лет (Демидова, 2017), проведенный для групп заданий по разным содержательным разделам школьного курса физики, показал, что раздел «Электродинамика» представляет собой один из наиболее проблемных разделов курса физики старшей школы. Актуальность выбора темы электростатика для исследования обусловлена тем, что она, по мнению авторов, является наиболее сложной для понимания.

Для достижения указанной цели исследования предлагается решить следующие задачи:

- представить систему таблиц для наглядного отображения материала по теме «Электростатика» в курсе физики старшей школы;

- проверить эффективность разработанной системы на практике (на примере Бауманской инженерной школы № 1580).

В рамках предложенной авторами методики учащиеся получат возможность, с одной стороны, эффективно использовать теоретические знания, а с другой стороны, активно проявлять свои навыки и умения в решении задач.

Теоретической базой исследования являются работы, раскрывающие специфику наглядных методов обучения (Осмоловская, 2009; Петров, Попова, 2007), которые в педагогике являются одними из самых древнейших. Они не потеряли своей актуальности и в современном образовании, соответствующего требованиям ФГОС (Карасова, Бы-бина 2016; Суразакова, 2019)

Методы исследования: общенаучные методы (анализ, синтез, обобщение) и специальные методы - методы сбора эмпирических данных и статистического анализа

Практическая значимость заключается в результативности использования данной системы таблиц, апробированной в Бауманской инженерной школе № 1580. Эта система может использоваться в учебном процессе преподавания физики в старшей школе и быть полезной учителям для создания собственных методик преподавания. Основная часть

Электростатика - раздел физики, в котором рассматривают взаимодействие заряженных тел, покоящихся в выбранной инерциальной системе отсчета (Грачев А.В., Погожев В.А., Салецкий А.М. и др.,2017, с. 363). В курсе электростатики большое внимание уделяется понятию электростатического поля, для характеристики которого вводятся две новые величины: напряженность и потенциал, знакомство с которыми вызывает трудности у учащихся (табл. 1).

Напряженность - векторная физическая величина, сило вая характеристика поля.

(e = ' e = Чпр.

-E2 + E3 +...)

Теорема Остроградского - Гаусса должна быть использована при углубленном преподавании физики, так как помогает более рационально производить расчеты напряженности электрических полей при распределении зарядов в пространстве определенным симметричным образом (Савельев И.В.,2003, Т 2, с. 66).

В некоторых ситуациях теорема Гаусса применима для прямого вычисления электростатического поля непосредственно, если симметрия задачи позволяет наложить на напряженность электрического поля такие дополнительные условия, что вместе с теоремой Гаусса этих условий хватает для элементарного вычисления (без применения двух обычных общих способов - решения уравнения в частных производных или лобового интегри-

рования кулоновских полей для элементарных точечных зарядов) (табл. 2).

Таблица 1. Основные формулы, используемые при нахождении напряженности электрического поля.

Напряженность Формула Комментарии

Точечного заряда E = M r

Бесконечной плоскости, равномерно заряженной по поверхности E = ^- 2zo Вывод из теоремы Остроградского -Гаусса

Сферы радиуса R, равномерно заряженной по поверхности зарядом q E = 0, при r < R E = k^, при r > R r2 Вывод из теоремы Остроградского -Гаусса

Проводящего шара радиуса R, с зарядом q E = 0, при r < R q E = k^-i, при r > R r2 Вывод из теоремы Остроградского -Гаусса

Потенциал - скалярная физическая величина, энергетическая характеристика поля.

(ц =

A -

-; Ц=Ц1+Ц2+Ц3+... )

пр

Таблица 2. Основные формулы, используемые при расчете потенциала электрического поля

Потенциал

Точечного заряда

Бесконечной плоскости, равномерно заряженной по поверхности

Сферы радиуса R, равномерно заряженной по поверхности зарядом q

Проводящего шара радиуса R, с зарядом q

Формула

ц=кq

r

Ц - Ц2 =

При r < R:ф = kR

При r > R.-ф = k — r

Приг < R.-ф = kR

При r > R.-ф = k — r

Комментарии

При r < R, ф = const (А = q( ф,- ф2) =

J( qE, dr) = 0, т.к. Е = 0)

При r > R, ф как у точечного заряда

При произведении расчета силы взаимодействия между двумя точечными зарядами применяется закон Кулона, в случае если точечный заряд находится в поле, то силу, которая действует на этот заряд, считают по определению напряженности. Чтобы объяснить и разделить в представлении учащегося понятия точечного заряда и по-

сз о со -а

I=i А

—I

о

сз т; о m О от

З

ы о со

о с

U

см со

ля, мы будем использовать следующую таблицу (табл. 3).

Таблица 3. Сила. Потенциальная энергия.

Взаимодействие двух точечных зарядов Точечный заряд находится в электростатическом поле

F = >l2q2| r12 F = qE

W = KQlQ2 r12 W = qip

Одна из проблем, с которой сталкиваются учащиеся на ЕГЭ, связана с пониманием устройства конденсатора и принципа его работы.

Конденсатор представляет собой два проводника, разделённые слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников (Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слобод-сков Б.А., 2002, с. 126), при этом заряды проводников одинаковы по величине и противоположны по знаку.

Рис. 1. Поле плоского конденсатора

Плоский конденсатор состоит из двух параллельных плоских пластин, расстояние между которыми много меньше характерного размера пластин. Найдем напряженность поля, создаваемого конденсатором. В данном случае при расчете картины поля можно пользоваться результатами, полученными для поля бесконечной равномерно заряженной плоскости (Павленко, 1998, с. 288-289) (Табл. 1). Так как заряды и площади пластин равны по величине, то и величина напряженности поля, создаваемого каждой из пластин, одинакова

E = ■

q

но направления векторов напряженно-

2$ее0

стей разные (вектор напряженности от отрицательно заряженной пластины показан на рисунке 1 пунктиром). Между пластинами векторы напряженности направлены одинаково, поэтому суммарная напряженность равна сумме напряженно-стей:

q q q

e = £ + e =

2e0es

+ -

2goes

8oes

Снаружи пластин векторы напряженности поля направлены противоположно, поэтому напряженность поля снаружи равна нулю. Таким обра-

зом, в конденсаторе напряженность поля отлична от нуля только между пластинами.

Для упрощения системы решения задач из первой части Единого государственного экзамена мы рекомендуем использовать представленные ниже графические таблицы (табл. 4, 5), в которых рассмотрим изменения заряда на обкладках конденсатора q, модуля напряженности поля внутри конденсатора Е, энергии электрического поля конденсатора W и напряжения между его обкладками U в двух случаях: конденсатор заряжен и отключен от источника тока; конденсатор подключен к источнику постоянного тока при изменении его ёмкости - основной характеристики конденсатора, определяемой как отношение заряда одной из обкладок к разности потенциалов, то есть напряжению между ними (Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., 2001, Т. 2, с. 65-66). Перечислим основные формулы, необходимые для вывода соответствующих соотношений:

C = q ; с = ^ ■ e = U ■ W = U d d

cu2 = . 2 2c '

Таблица 4. Конденсатор отключен от источника тока, q = const.

Изменяемая величина и = qd ssos E = q ssos w = q2d 2ssos

Расстояние между обкладками конденсатора, d d t d 1 U t U 1 E = const E = const W t W 1

Площадь обкладок конденсатора, S S t S 1 U 1 U t E 1 E t W 1 W t

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика внутри конденсатора, £ £ t £ 1 U 1 U t E 1 E t W 1 W t

Таблица 5. Конденсатор подключен к источнику постоянного тока, U = const.

Изменяемая величина q =eeoSU d E = U d w = ZZoSu2 2d

Расстояние между обкладками конденсатора, d d t d 1 q 1 q t E 1 E t W 1 W t

Площадь обкладок конденсатора, S S t S 1 q t q 1 E = const E = const W t W 1

Диэлектрическая проницаемость диэлектрика внутри конденсатора, £ £ t £ 1 q t q 1 E = const E = const W t W 1

В мае 2017 года в школе № 1580 была проведена семестровая контрольная работа, в которую включались задачи по теме электростатика.

Авторами был проведен статистический анализа результатов решения учащимися двух задач по данной теме, базового и повышенного уровня сложности. Всего в работе принимали участие 237 учащихся 10 класса инженерной школы № 1580. Максимальный балл за задачу базового уровня -5, Учащиеся с этой задачей справились следующим образом: средний балл - 3,42; среднеквадратичное отклонение - 0,96; процент выполнения задачи - 68,4%; полностью решили задачу - 34,2%. Максимальный балл за задачу повышенного уровня - 10, результаты: средний балл - 2.4; среднеквадратичное отклонение - 2,02; процент выполнения задачи - 24%; полностью решили задачу - 2.1%. Результаты проведённого статистического исследования показали необходимость изменения методики преподавания темы электростатика, поэтому с сентября 2017 года при изучении данной темы авторами использовалась система таблиц 1-5. В 2021 году в Инженерной школе № 1580 прошла очередная семестровая работа, в один из вариантов которой была включена задача повышенного уровня сложности, такая же, как и в 2017 году. Вариант решало 50 человек. Полностью решили эту задачу 9 человек (18%). Полученные результаты позволяют говорить о повышении эффективности обучения.

В заключение приведем решение задачи из Олимпиады Шаг в будущее МГТУ им. Н.Э. Баумана, которая использовалась при статистическом анализе результатов применения системы таблиц (Табл. 1-5), в качестве задачи повышенного уровня сложности.

Ёмкость плоского вакуумного конденсатора С0. Между обкладками этого конденсатора помещают такую же по площади пластину из материала с диэлектрической проницаемостью е, толщина которой составляет долю от расстояния между обкладками, равную h ф < 1). Конденсатор с диэлектриком подключают к источнику постоянного напряжения и0, затем отключают и начинают медленно извлекать пластину из конденсатора. Какую работу нужно совершить, чтобы полностью извлечь пластину из конденсатора?

Решение:

Описанная в условии задачи система эквивалентна двум последовательно соединенным конденсаторам: одного - заполненного диэлектриком толщиной hd и другого - вакуумного конденсатора с расстоянием между обкладками, равным (1 -Ь) d. Найдем ёмкость С1 такой системы.

с-1 =

e0eS nd

1 (

s0S

(1 - n) d

1 -n + ^ld s0S

Cos

(1 -n)s + n

Начальная энергия этой системы равна

w = clu°

Т.к. конденсатор отключают от источника, то его заряд 0 = С1и0 не изменяется. Когда диэлектрическая пластина будет полностью извлечена из конденсатора, его ёмкость будет равна С0.

Q2

c2ll2 _ Ci и0

Конечная энергия системы равна И/2=—— =

¿.С ¿.С0

Работа, которую нужно совершить по извлечению пластины из

конденсатора вычисляется по формуле:

A = W2 - W1 =

см.

2Co

Cos Up

2 [(1 -n)s + n] Заключение

(1 -n)s + n

Cl

-1

ClUo

2

CL -1

CpsU2n(s-1) 2 [(1 -n)s+n]2

> 0

Итогом данной работы является структуризация системы преподавания раздела «Электростатика» (Табл. 1-5), c помощью которой достигается повышение качества и эффективности обучения. Система апробирована на базе "Бауманской инженерной школы № 1580". Результатом её применения в учебном процессе в течение четырёх лет стало расширение представлений учащихся о физической картине окружающей действительности, а так же получение навыков и компетенций, необходимых для решения задач различной степени сложности, ка базового, так т олимпиадного уровня.

Перспективой дальнейшего исследования может быть разработка системы таблиц для других разделов курса физики в старшей школе и их последующая апробация на базе Инженерной школы № 1580.

Литература

1. Бутиков Е. И., Кондратьев А.С. Физика: в 3-х т. М.: Физматлит, 2001. Т. 2.

2. Грачев А. В., Погожев В.А., Салецкий А.М. и др. Физика 10 класс. М.: Вентана-Граф, 2017.

3. Демидова М.Ю. Методические рекомендации для учителей, подготовленные на основе анализа типичных ошибок участников ЕГЭ 2017 года по физике. М.: ФИПИ, 2017.

4. Карасова И. С., Быбина Н.Н. Знаково-образная наглядность как средство обобщения и систематизации знаний, умений обучающихся // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. 2016. № 10.

5. Мякишев Г. Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А.. Физика: Электродинамика. 10-11 класс. М.: Дрофа, 2002.

6. Осмоловская И.М. Наглядные методы обучения. М: Издательский центр "Академия", 2009.

7. Павленко Ю. Г.: Физика: учебное пособие 1011 класс. М.: АПП «Джангар», 1998.

8. Петров А. В., Попова Н.Б. Классификация средств наглядности в современной системе обучения // Мир науки, культуры, образования. 2007. № 2 (5).

сз о со -а

I=i А

—I

о

сз т; о m О от

З

ы о со

с

9. Савельев И.В. Курс общей физики. Электричество и электромагнетизм: в 5-ти т. М.: Физ-матлит, 2003. Т. 2.

10. Суразакова И.В. Методы обучения в современной школе. Достоинства и недостатки. 2019. URL: https://znanio.ru/

FEATURES OF THE ORGANIZATION OF THE EDUCATIONAL PROCESS WITH IN -DEPTH STUDY OF ELECTROSTATICS IN HIGH SCHOOL

Gracheva I.N., Korotova I.A.

Moscow State Technical University named after N.E. Bauman

The purpose of the study is to activate the educational and cognitive activity of students and to ensure the process of conscious assimilation of the material on the topic of electrostatics in high school. The article proposes a variant of structuring theoretical educational material on this topic, which in certain aspects is problematic both from the meaningful and methodological points of view. The scientific novelty of the study lies in the fact that the authors of the article have developed a system of tables for practical use in physics lessons clearly reflecting the entire material of the theme of electrostatics. Such structuring helps to increase the effectiveness of teaching an object, the study of which is impossible without logical, adapting to different tasks, constantly developing student thinking. As a result of the practical application of this system of tables in the "Bauman Engineering School No. 1580", the percentage of tasks on this topic increased during verification measures.

Keywords: Electrostatics; Structuring the teaching system; efficiency of learning; Physics teaching technique.

References

1. Butikov E.I., Kondratyev A.S. Physics: in 3 volumes M.: Fizatlit, 2001. T. 2.

2. Grachev A.V., Pogozhev V.A., Saletsky A.M. et al. Physics grade 10. M .: Ventana-Graf, 2017.

3. Demidova M. Yu. Methodological recommendations for teachers, prepared on the basis of the analysis of typical errors of participants in the USE of 2017 in physics. M.: Fipi, 2017.

4. Karasova I. S., Bybina N.N. Significant visibility as a means of generalizing and systematizing knowledge, students' skills // Bulletin of the Chelyabinsk State Pedagogical University. 2016. No. 10.

5. Myakishev G. Ya., Sinyakov A.Z., Slobodskov B. A .. Physics: Electrodynamics. Grade 10-11. M.: Drofa, 2002.

6. Osmolovskaya I.M. Visual methods of learning. M: Publishing Center "Academy", 2009.

7. Pavlenko Yu. G .: Physics: Textbook Grade 10-11. M.: APP "Dzhangar", 1998.

8. Petrov A.V., Popova N.B. Classification of visibility means in the modern system of training // World of Science, Culture, Education. 2007. No. 2 (5).

9. Savelyev I.V. Course of general physics. Electricity and electro-magnetism: in 5 volumes M.: Fizatlit, 2003. T. 2.

10. Surazakova I.V. Methods of learning in a modern school. Advantages and disadvantages. 2019. url: https://znanio.ru/

о с

u

см <o