Вниз

18 Март 2013

Особенности организации исследовательской деятельности учащихся по физике в гимназии

П.Ю. Боков, к. ф.-м. н., учитель физики Московской гимназии на Юго-Западе № 1543
Т.А. Галкина, к. п. н., учитель физики Московской гимназии на Юго-Западе № 1543
Д.Ю. Королев, учитель физики Московской гимназии на Юго-Западе № 1543
Е.Б. Петрова, д. п. н., учитель физики Московской гимназии на Юго-Западе № 1543
В.В. Сперантов, к. п. н., учитель физики Московской гимназии на Юго-Западе № 1543
Н.В. Шаронова, д. п. н., зав. кафедрой физики Московской гимназии на Юго-Западе № 1543

Исследовательская деятельность учащихся в Московской гимназии на Юго-Западе № 1543 является одним из средств освоения методологии естественнонаучных исследований.


В классах физико-химического профиля по углубленной программе изучаются физика, химия и математика. Такая структура учебного плана позволяет многим учащимся, мотивированным в широкой познавательной области, успешно учиться в гимназии и обеспечивает подготовку к поступлению во многие вузы естественнонаучного направления.

Основными целями обучения в классе физико-химического профиля являются:

  1. развитие определенного стиля естественнонаучного мышления, отличающегося такими чертами, как теоретический, аналитико-синтетический характер, критичность и системность, диалектичность;
  2. формирование глубоких, прочных, действенных знаний по профильным дисциплинам на основе владения методологией естественнонаучного исследования.

Для успешного решения задачи формирования всесторонне развитой, нравственной личности с высокоразвитым чувством самостоятельности и многообразием взглядов на ту или иную проблему необходимо соответствующим образом строить процесс обучения. На первых порах, когда ученик еще не владеет на должном уровне методами и средствами познания для самостоятельного поиска новых для него фактов и закономерностей, требуется найти такие формы обучения, которые позволят освоить новые для него опыт поисковой и исследовательской деятельности.

Исследовательская деятельность учащихся в гимназии имеет несколько форм, в том числе, курсовая работа и исследовательский проект. Каждая из этих форм работы имеет свои организационные особенности.

В 2002/2003 учебном году в IX классах физико-химического профиля впервые была апробирована такая форма учебной деятельности учащихся, как курсовая работа, которая позволяет наиболее полно реализовать требование формирования творческой самостоятельности учащихся, навыков к исследовательской деятельности. Выполняя задания, теоретические и практические исследования, ученики нередко сами формулируют учебную проблему, сами выдвигают гипотезу ее решения, осуществляют поиск и приходят к определенному результату. Они совершают логические операции самостоятельно, раскрывая сущность нового понятия или способа деятельности. При исследовательском методе познавательная работа школьников по своей структуре приближается к исследовательской деятельности ученого.

Изучение физики и химии на профильном уровне в физико-химических классах планируется осуществлять, в первую очередь, за счет экспериментального, практического компонентов курсов.

Структуру профильного изучения курса физики можно представить с помощью таблицы 1.

Таблица 1

Структура изучения физики в классах физико-химического профиля

Обязательная часть Дополнительная часть Формы итоговой аттестации
VIIIкласс Основной курс – 3 чТехнология 1 ч 

Физический практикум

Факультативный курсИсследовательская работа по физике (по желанию) 

Консультации

Переводной письменный экзаменВыступление на научной конференции
IX класс Основной курс – 3 чРешение задач повышенной сложности – 1ч 

Физический практикум – 1 ч

Курсовая работа

Факультативный курсИсследовательская работа (курсовая работа по физике или химии) 

Консультации

Выпускной экзаменВыступление на научной конференции 

Защита курсовых работ

X класс Основной курс – 4 чКурс по выбору (физика или химия) – 2 ч 

Профильная практика (июнь)

Факультативный курсИсследовательская работа (по желанию и профильная практика по физике или химии) Переводной экзаменВыступление на научной конференции 

Отчет по практике

XI класс Основной курс – 4 чКурс по выбору (физика или химия) – 1 ч Факультативный курсИсследовательская работа по физике, химии или астрономии (по желанию) Выступление на ученических  конференциях

Чтобы все без исключения учащиеся данного профиля попробовали себя в новом качестве исследователя, было принято решение об обязательном выполнении курсовой работы и ее защите.

I. Курсовая работа

Таким образом, курсовая работа является составной частью системы научно-исследовательской деятельности учащихся в IX классе, обязательной для всех учащихся данного профиля.

Цели и задачи курсовой работы

Выполнение курсовой работы ставит перед собой ряд целей, как образовательного, так и развивающего характера.

I. Учащиеся должны уметь:

  1. формулировать проблему, цели и задачи исследования;
  2. использовать разнообразные источники информации, а именно – научную, научно-популярную и учебную литературу, компьютерные обучающие программы, телекоммуникационную систему Интернет;
  3. систематизировать и обобщать полученную информацию;
  4. применять законы, теории в конкретных практических ситуациях;
  5. различать причину и следствие;
  6. планировать эксперимент для проверки выдвинутой гипотезы;
  7. оценивать правдоподобность и значимость полученных данных
  8. оценивать соответствие теоретических выводов имеющимся данным.

II. Учащиеся должны научиться:

  1. логично и доступно представить свою работу в виде письменного текста;
  2. оформлять работу согласно выдвинутым требованиям;
  3. грамотно выражать свои суждения в словесной форме, отстаивать свою точку зрения, корректировать свои взгляды в свете убедительных аргументов;
  4. составлять краткий, но выразительный доклад по результатам своей работы, включая в него иллюстративный материал.

Виды курсовой работы

По содержанию можно выделить следующие виды курсовых работ (таблица 2):

Таблица 2

Виды курсовых работ

Вид работы Содержание Примеры тем
Реферативная аналитический обзор литературы; Эволюция геоцентрической модели мира в древнегреческой философии.
поиск информации, её систематизация и обобщение Исследование соединений азота со степенью окисления «+5»
Экспериментальная решение экспериментальной задачи; Определение ускорение свободного падения
экспериментальная проверка теоретических закономерностей; Исследование разлета облака пыли при его свободном падении
разработка экспериментальных установок для наблюдения интересных явлений; Цвета тел и восприятие цвета.
апробация новых экспериментальных установок и разработка методики постановки и проведения опыта с его помощью Проверка законов сохранения энергии и импульса при упругом и неупругом ударе
Теоретическая Решение теоретической задачи, исследование различных вариантов решения Исследование колебаний математического маятника методом компьютерного моделирования
Межпредметная Реализация межпредметных связей «физика – химия», «физика – астрономия», «физика – математика», «физика – биология» Смена сезонов года на планетах Солнечной системы

Требования к написанию и защите курсовой работы

1.    Курсовая работа должна иметь определенную структуру: титульный лист, содержание – план работы, введение, основная часть (включает несколько параграфов), заключение, список литературы. Названия частей, глав или параграфов выстраиваются в определенную логику, созвучную логике вашего исследования.

2.    Во введении:

  • обосновывается выбор темы, ее значимость;
  • формулируется цель исследования, отражающая результат работы;
  • формулируются задачи исследования (можно в виде вопросов), т. е. те действия, с помощью которых может быть получен результат, достигнута цель (например, изучить литературу, разработать, создать и наладить экспериментальную установку, сделать выводы и т. п.)

3. В основной части дается обзор литературы, т. е. краткая характеристика того, что известно по теме исследования.

Далее в работе представляются собственные данные. Рабочие данные обрабатывают и в тексте представляют только самые необходимые, иллюстрирующие и характеризующие полученные результаты, на основании которых делаются выводы. Наиболее выигрышной является графическая форма представления.

Полученные данные анализируются и устанавливаются и формулируются закономерности, обнаруженные в процессе работы.

4. В заключении кратко излагаются результаты работы. Выводы должны соответствовать целям и задачам исследования, т. е. показывать достижения работы.

5. Список литературы предполагает не менее трех ссылок на литературу, в качестве источников информации могут упоминаться также электронные адреса.

Защита курсовых работ проводится в виде небольшого доклада, который обсуждается в присутствии заинтересованной аудитории и учителей на общегимназической конференции или на специальных посвященных защите курсовых уроках.

II. Исследовательский проект

Исследовательский проект выполняется учащимися в конце учебного года в X классе, во время так называемой профильной практики, на базе организаций, с которыми сотрудничает гимназия: научно-исследовательских институтов или учебных и научных лабораторий вузов (МГУ им. В.И. Ленина, МПГУ, МИТХТ и др.). Эта работа проводится под руководством научного руководителя – учителя гимназии.

Все учащиеся выбирают руководителя и тему исследования. Совместно с руководителем разрабатывается методологический аппарат исследования – формулируются цель и гипотеза исследования, выбираются методы и определяются этапы работы. Это оформляется в виде программы исследования. Далее начинается индивидуальная исследовательская работа или работа небольшой группы учащихся над одной темой под руководством учителя. Достаточно часто руководителями этой деятельности учащихся выступают учителя-совместители, являющиеся научными работниками или вузовскими преподавателями по основному месту работы.

Ведущими принципами в организации этой деятельности выступают принципы единства научности и доступности, добровольности и положительной мотивации, обеспечения познавательной самостоятельности и свободы в творческих проявлениях.

По итогам исследовательской деятельности проводится научная конференция учащихся, в рамках которой заслушиваются все отчеты. Работа проходит при высокой активности учащихся, вызывает большой интерес.

Исследовательские работы могут быть различных типов: исследование какого-либо явления, построение установки для наблюдения какого-либо явления, создание модели какого-либо явления, повторение эксперимента, аналогичного историческому опыту и т.п. Приведем примеры выполненных в гимназии исследовательских проектов различных типов.

Пример 1. Исследование поляризованного света.

Цель работы: экспериментально получить значения углов полной поляризации световых волн (углы Брюстера) для разных диэлектриков.

Задачи:

  1. собрать установку, с помощью которой с достаточной точностью (погрешность 3 градуса) можно измерить углы Брюстера для различных диэлектриков.
  2. убедиться, что эти углы для различных диэлектриков неодинаковы.

Далее даны основные определения и описаны все этапы проведения эксперимента. Подробно описаны различные варианты экспериментального оборудования, с пояснением причин использования той или иной схемы установки.

Итогом работы являются выводы о соответствии экспериментальной установки поставленным целям. Дается сравнение полученных обобщенных результатов эксперимента.

В данном случае вывод выглядит следующим образом: согласно полученным данным углы Брюстера для полностью прозрачного стекла и для цветного одинаковы, следовательно, добавки, влияющие на цвет диэлектрика, не меняют его диэлектрическую проницаемость. Различными углы Брюстера являются для пластин, сделанных из разных материалов. Из этого можно сделать вывод, что угол полной поляризации зависит от материала диэлектрика.

Поставленный эксперимент позволяет определить диэлектрическую проницаемость использованных диэлектриков, что важно для решения рода прикладных задач.

Пример 2. Изготовление камеры Вильсона.

Цель работы: изготовление камеры Вильсона, позволяющей регистрировать заряженные частицы.

В этой работе структура несколько иная, так как для построения какого-либо устройства требуется подробно ознакомиться с уже имеющимися конструкциями, выяснить их различия и особенности работы. Поэтому работа имеет достаточно большое введение с описанием методов наблюдения заряженных частиц.

Далее авторы переходят непосредственно к построению задуманного устройства и в отчете отражены все этапы работы с подробным анализом всех полученных результатов, достоинств и недостатков каждого из конструктивных решений.

В итоге камера построена, и в качестве результата приводятся видеоматериалы, иллюстрирующие поведение заряженных частиц в изготовленном устройстве.

В качестве вывода приводится описание поведения заряженных частиц: изготовленная камера реагировала на хаотически движущиеся ионы воздуха, образуя на их пути мелкие хаотично перемещающиеся капли изопропанола; наблюдения в диффузионной камеры Вильсона продолжалось 12 часов, в результате чего был обнаружен момент прохождения через камеру одной заряженной частицы; при прохождении через камеру заряженной частицы по ходу ее траектории образовалась линия капель, которую удалось зафиксировать с помощью видеосъемки.

Пример 3. Исследование бинаурального эффекта.

Цель работы: создание модели слуховой системы, позволяющей продемонстрировать наличие бинаурального эффекта, т. е. способности определять направление на источник звука.

Также как и в предыдущих работах, сделано теоретическое введение, содержащее основные определения, описание строения слуховой системы, раскрыта суть бинаурального эффекта.

Далее начинается этап моделирования. Он представляет собой перебор различных вариантов, являющихся приближением к оптимальной модели, являющейся наиболее иллюстративной и учитывающей возможности материальной базы. В данном случае целью было ограничиться компьютером и в качестве генератора звука, и в качестве его приемника. В результате, основываясь на принципе обратимости, был найден оптимальный вариант, в котором вместо двух приемников и одного источника, были использованы два источника и один приемник (необходимость этого обусловлена особенностями конструкции входа звуковой карты ПК).

В итоге работы было показано, что созданная модель позволяет регистрировать разность хода звуковых волн при несимметричном расположении источника, что и является основой бинаурального эффекта.

Пример 4. Создать установку, позволяющую продемонстрировать известный опыт Р. Вуда по наблюдению вихревых колец.

Была создана установка, которая позволяла осуществить наглядную демонстрацию взаимодействия вихревых колец: различные скорости последовательно запущенных колец, их центральное и нецентральное соударения и т.п.

Результатом этой работы были сформулированы выводы об особенностях и условиях образования вихревых колец, их рассеяния и взаимодействия, а также движения среды вокруг них.

Эта работа имела и дальнейшее продолжение: ее результаты были опубликованы в журнале «Наука и жизнь» (2006, № 6).

Анализ проводимой работы показывает, что все формы организации исследовательской деятельности учащихся играют большую роль в создании условий для проявления и развития общей и специальной одаренности учащихся, в развитии познавательных интересов, учебной мотивации и формировании профессиональных намерений гимназистов.

В определенном смысле можно говорить о сложившейся системе организации исследовательской работы учащихся, имеющей значительный воспитательный и развивающий потенциал.

 

Статья опубликована в журнале «Физика в школе» № 8, 2011

Еще из рубрики Научные статьи

Обсуждение закрыто.