Современная научно-педагогическая литература содержит немало рекомендаций по организации проектной исследовательской деятельности школьников. Они вооружают учителя физики или студента педагогического вуза, главным образом, теоретическими сведениями. Однако одни лишь теоретические положения и выводы не обеспечивают эффективное руководство учебно-исследовательской деятельностью школьников. Наибольшим затруднением, которое испытывает учитель физики, планирующий проектную исследовательскую деятельность, является поиск и формулировка проблем исследовательских проектов. Эти проблемы должны быть тесно связаны с материалом школьного курса физики, мотивировать учащихся и быть доступными для решения в ограниченные сроки.
Цель настоящего исследования – обоснование возможности и целесообразности построения системы доступных и интересных учебных исследований по гидродинамике, предназначенных для организации проектной деятельности школьников.
Для достижения этой цели использовались следующие методы: анализ описанных в научной и учебно-методической литературе современных опытов по гидродинамике на предмет их использования в учебных исследованиях школьников; отбор содержания исследовательской проектной деятельности, удовлетворяющего критериям научности и доступности; опытно-конструкторская работа, направленная на проверку выполнимости вариантов исследовательских заданий; педагогический эксперимент по обоснованию эффективности разработанной методики.
Поиск наиболее удобных форм представления информации и заданий для исследовательской работы показал, что оптимальным является создание учебного пособия, которое включает систему исследовательских проектов по некоторой теме, в нашем случае, по гидродинамике. Разработанное нами пособие содержит руководство по выполнению 10 исследований. Каждое исследование включает от 10 до 15 конкретных исследовательских заданий и неявно структурировано по следующему плану.
Информационный блок содержит теоретические сведения, полезную информацию, которой, как правило, нет в школьном учебнике, но которая дает представление об актуальности, научной и практической значимости исследования, сообщает исходные понятия и физические закономерности.
Теоретический блок включает задания школьникам, в которых требуется изучить необходимые для выполняемого исследования физические понятия, вывести формулы, выполнить умозрительные эксперименты и интерпретировать их результаты.
Проектировочный блок состоит из заданий, предлагающих школьнику разработать проект прибора или опыта, отвечающего заданным требованиям.
Опытно-конструкторский блок содержит экспериментальные задания, направленные на изготовление приборов и сборку экспериментальных установок. Выполнив эти задания, школьник описывает полученный результат.
Внешний вид разворота пособия, определяющего содержание исследовательской деятельности школьника по изучению кавитационных явлений
Опытно-исследовательский блок включает задания, в которых требуется с использованием изготовленного оборудования пронаблюдать, объяснить и исследовать различные особенности физических явлений.
Рационализаторский блок заданий побуждает школьника усовершенствовать прибор, подобрать оптимальные условия опыта, объяснить результаты опытов и придумать способы их экспериментальной проверки.
Дидактический блок содержит задания, в которых от школьника требуется разработать условия демонстрации выполненного исследования всему классу и составить презентацию.
Обсуждаемое пособие [1] оформлено в стиле рабочей тетради [6], то есть отчетная часть работы школьника четко определена – одно исследование занимает 8 страниц тетрадного формата. На рисунке представлен внешний вид разворота одного из исследований.
Кратко охарактеризуем предлагаемые исследования по гидродинамике, снабдив их аннотации ссылками на источники информации, в которых описаны элементы учебной физики [10], взятые за основу.
1. Гидравлические механизмы. При выполнении этого исследования школьники опираются на материал учебника 7 класса, поэтому может возникнуть необоснованное ощущение простоты предлагаемых заданий. Учащиеся должны понимать, что их задача – создание максимально надежных, доступных для воспроизведения семиклассниками конструкций насосов [2], гидравлического пресса, домкрата [15]. В процессе работы они исследуют явления атмосферного давления, сжимаемости и текучести жидкости, передачи давления внутри жидкости.
2. Поплавок Декарта. Детальное исследование хорошо известного картезианского водолаза, особенно получение количественных характеристик связанных с ним явлений – нетривиальная задача. Экспериментальное мастерство учащихся развивается при испытаниях различных вариантов конструкции и постановке простых опытов с прибором. При этом они глубоко усваивают физическую сущность явлений плавания тел в жидкости и газе, взаимодействия жидкости и погруженного в нее тела, реакции вытекающей и втекающей струй [9], воздухоплавания [7].
3. Гидродинамический удар. На уроках физики рассматривается гидростатическое давление, поэтому экспериментальное исследование гидродинамического давления способствует формированию обобщенного понятия давления в жидкости. Учащиеся самостоятельно собирают простую экспериментальную установку и исследуют явления течения жидкости по трубе, резкую остановку жидкости заглушкой с отверстием и возникающий при этом гидродинамический удар [5].
4. Разрушения при гидродинамическом ударе. Эти явления имеют большое практическое значение. Перед школьниками поставлена задача осознания физической сущности явления гидродинамического удара посредством эффектных опытов по разрыву стеклянной бутылки [3]. Учащиеся овладевают логикой научного познания, подтверждая каждое следствие теоретической модели экспериментом. Предлагается изготовить электронное устройство для фотографирования отдельных стадий процесса разрушения.
5. Физическая модель гейзера. На любого человека производит впечатление модель гейзера, собранная на лабораторном столе [11]. Изготовив и исследовав работу этой модели, школьники изучат явления автоколебаний жидкости (механические колебания), образования струй (гидродинамика), испарения и конденсации (термодинамика).
6. Парореактивный движитель. В интернете любой школьник, интересующийся физикой, может найти описания игрушечных парореактивных лодочек [11]. Эти устройства могут стать прекрасным физическим прибором, позволяющим убедиться в существовании многих интересных явлений, таких как реакция вытекающей и втекающей струй, испарение и конденсация, насыщенный пар, автоколебания [8, 9].
7. Распад струи на капли. Школьники часто не отдают себе отчета в том, что достойные исследования интересные физические явления происходят не только в лаборатории, но и в обыденной жизни. Явления образования и распада струи, действия звуковой волны на струю [8] школьники исследуют с помощью изготовленного ими стробоскопа [14].
8. Быстропротекающие процессы. Явления падения капли жидкости, появления и схлопывания сферического углубления при падении капли в жидкость, образования кумулятивной струи [4] исследуются с применением изготовленного школьниками современного устройства, обеспечивающего вспышку света с заданной временной задержкой [13]. При выполнении этого исследования развивается физическое мышление учащихся, которые должны осознать роль инерционности зрения и физические основы наблюдения и фотографирования быстропротекающих процессов.
9. Явление кумуляции энергии. Понятие кумуляции является обобщенным понятием и используется не только в физике, но также в медицине и гуманитарных науках. Поэтому наглядное представление о кумуляции имеет большое мировоззренческое значение. Исследуя явления сжимаемости жидкости, передачи давления внутри жидкости, образование кумулятивной струи [4], школьники осознают физическую сущность и основы практического применения кумулятивного эффекта.
10. Ультразвуковая кавитация. Это явление показывает, как незначительные, на первый взгляд факторы приводят к серьезным и разрушительным последствиям благодаря кумуляции энергии. Явления распространения упругой волны в жидкости, образование и схлопывание кавитационных пузырьков, кавитационные разрушения твердых тел и жидкостей за счет кумулятивного эффекта исследуются школьниками, самостоятельно изготовившими магнитострикционный излучатель и электронный генератор ультразвука [12].
При выполнении разработанной системы исследований естественным образом происходит освоение метода научного познания, поскольку школьники выдвигают гипотезы, конструируют теоретические модели, выводят из них следствия и проверяют их в эксперименте.
Методика работы с системой исследовательских заданий, оформленных в виде пособия [1], может быть различной.
1. Каждое исследование вместе с требующими заполнения клетками занимает 8 страниц, поэтому учитель может откопировать и распечатать в виде отдельных брошюр исследования по числу заинтересованных школьников. Учитель проводит вводное занятие, на котором с использованием интернет-ресурсов знакомит школьников с практическим применением кумулятивного эффекта. В конце занятия он делит школьников на звенья из двух человек и формулирует звеньям темы проектных исследований. Каждый школьник получает распечатанные задания, относящиеся к его теме, и приступает к их выполнению. В случае, если все необходимые приборы и материалы подготовлены учителем заранее, на выполнение одного исследования звену требуется 6–10 часов аудиторного времени. Большая часть необходимого оборудования имеется в школьном кабинете физики, отсутствующие материалы и радиодетали вполне доступны и могут быть приобретены школьниками самостоятельно. При руководстве проектом важно добиться усвоения школьниками основных физических понятий и физической сущности исследуемых явлений. Если какое-то задание учащимся не удается выполнить, желательно, чтобы они привели результаты своих рассуждений, поиска соответствующей информации, указали объективные трудности, не позволившие достичь требуемого. После завершения исследования каждое звено делает краткий доклад, сопровождая его демонстрациями опытов и компьютерной презентацией.
2. Наиболее предпочтительно самостоятельное проведение исследований учащимися. В этом случае заинтересованный школьник в индивидуальном порядке системно работает над пособием, выполняя интересующие его задания. Учитель консультирует школьника по возникающим проблемам, проверяет правильность сборки электронных приборов, контролирует выполнение правил техники безопасности.
3. Педагогический эксперимент показывает, что даже лучшие учащиеся старших классов нуждаются в помощи учителя при проведении серьезных учебных исследований. Им требуются консультации по эффективным приемам работы, по технике безопасности, по сборке и налаживанию электронных устройств и экспериментальных установок. Учитель должен обладать специальными умениями, чтобы в случае затруднений школьника обеспечить положительный результат опытов. Поэтому один из вариантов методики работы с пособием заключается в организации выполнения учебных исследований студентами физических специальностей педагогических вузов в период стажерской педагогической практики или в рамках спецкурса. В этом случае деятельность студента моделирует работу школьника. Возможен и такой вариант: если у каждого студента имеется пособие [1], то сначала студенты выполняют выбранные исследовательские проекты, а затем в процессе презентации проектов заполняют те части пособия, которые относятся к исследованиям других студентов.
Принятое в пособии пошаговое руководство учебными исследованиями путем выделения конкретных заданий небольшого объема не ограничивает творческие возможности школьников, так как эти исследования в принципе допускают получение объективно новых результатов в сфере учебной физики [10, 15].
Рецензенты:
Казаринов А.С., д.п.н, профессор кафедры информатики, теории и методики обучения информатике, ФГБОУ ВПО «Глазовский государственный педагогический институт им. В.Г. Короленко», г. Глазов;
Сафонова Т.В., д.п.н., профессор кафедры педагогики, ФГБОУ ВПО «Глазовский государственный педагогический институт им. В.Г.Короленко», г. Глазов.
Работа поступила в редакцию 22.11.2013.