Разработка методики формирования у студентов высших учебных заведений педагогических специальностей понятий электричества в условиях кредитной системы обучения

5) сочетание СРО с различными формами учебных занятий.

Технология организации и проведения СРО включает следующие элементы: планирование СРО; методическое обеспечение; контроль выполнения СРО; оценка выполнения; анализ и совершенствование. [292, 293].

2.5 Требования к уровню усвоения понятий «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» студентами Вузов к моменту окончания курса общей физики

Исходя из анализа содержания понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» в современной физике и познавательных возможностей студентов, времени, предусмотренного на его усвоение программой, можно сформулировать требования к знаниям студентов об электрическом токе к моменту окончания курса:

1. понимание того, что ток, заряд, напряжение, сопротивление - это величины характеризующие электрическую цепь;

2. знание основных физических величин связанных с электрическим током;

3. знание того, что характеризует каждая величина (какое свойство тел или явление);

4. раскрытие физического смысла величин, входящих в определенную формулу;

5. знание и осмысление определения величин;

6. понимание закона Ома как соотношение между тремя величинами: силой тока в цепи, напряжением на этом участке и сопротивлением участка цепи;

7. понимание роли закона Ома при последовательном и параллельном соединений;

8. знание основных связей понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» с другими понятиями и формул, выражающих эту связь;

9. знание единиц измерения данных величин и способов вычисления основных величин, входящих в определенную формулу;

10. умение отделить понятие «ток», от понятий «заряд», «напряжение», «сопротивление».

При проведении исследования усвоения понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» выявился тот факт, что в его усвоении студентами имеются недостатки. Очень сложным для них является вопрос об определении физических величин. Определить физическую величину - значит указать:

- какое реальное свойство материального объекта или явление характеризует она;

- с какими ранее введенными величинами она связана, и какая формула выражает эту связь;

- как измерить величину, т.е. каков способ её измерения, на чем он основан.

Студенты не могут уяснить, что характеризует данная величина (сила тока), не могут осмыслить определение величины.

Определяя физическую величину нужно следить за тем, чтобы в определении находила отражение не только количественная сторона (указание способа её измерения), но и качественная (указание того, что эта величина характеризует: какое свойство, качество материальных объектов или явление).

Избежать ошибки по формированию понятий о физических величинах может помочь применение следующего обобщенного плана изучения величин.

1. Уяснить, что характеризует данная величина (какое свойство тел или явление).

2. Прочитать, осмыслить определение величины.

3. Уяснить, какая это величина: основная или производная.

4. Если величина производная, записать определительную формулу.

5. Раскрыть физический смысл величин, входящих в определительную формулу.

6. Определить, скалярная это величина или векторная.

7. Установить единицу измерения данной физической величины в СИ.

8. Указать основные способы измерения величины.



3. Организация и результаты дидактического эксперимента по проверке эффективности предлагаемой методики формирования понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» у студентов вузов в условиях кредитной системы обучения

3.1 Методика и методология формирования у студентов понятий «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление»

1. Значение формирования понятия

В развитии понятий большое значение имеет сложное взаимодействие понятий различных наук, связанных общими задачами всестороннего исследования явлений природы и общества.

Как результат обобщенного теоретического мышления, понятие служит средством дальнейшего познания.

Формирование у студентов понятий сложный и продолжительный процесс, в котором студенты постепенно приближаются ко все более полному овладению содержанием понятий. В этом процессе, как и в научном познании, происходит развитие понятий - их обогащение, установление все новых связей данного понятия с другими. Это развитие носит сложный диалектический характер.

Источниками понятий являются:

1) жизненный опыт студентов, их повседневные наблюдения и возникающие на их основе представления;

2) целенаправленное формирование понятий в процессе изучения основ наук;

3) попутное формирование понятий в результате изучения других предметов;

4) стихийное формирование понятий в результате чтения научно-популярной литературы, просмотра фильмов, передач по радио и телевидению, воздействие других источников информации.

В усвоении студентами физических понятий наблюдаются следующие типичные ошибки:

1) студенты оперируют терминами, обозначающими понятия, а раскрыть содержание понятия (указать его существенные признаки), отделить существенные признаки от несущественных не могут;

2) путают видовые признаки понятий, принадлежащих к общему роду, например признаки электрического поля с признаками магнитного поля, признаки постоянного тока с признаками переменного тока (результат слабой дифференцировки понятий);

3) плохо усваивают связи и отношения между понятиями (прежде всего отношения подчинения и соподчинения);

4) не умеют классифицировать понятия, проявляют полную беспомощность в выборе существенных признаков, которые можно было бы положить в основу классификации.

Наличие указанных недостатков в усвоении понятий приводит к тому, что студенты затрудняются оперировать понятиями, применять их в решении различного рода учебных и практических задач.

Одной из основных причин возникновения указанных недостатков в усвоении студентами понятий является незнание преподавателем особенностей процесса усвоения понятий, способов их формирования, условий, способствующих их усвоению студентами, и закономерностей, которым подчиняется этот процесс. Иногда преподаватели полагают, что достаточно сформулировать определение понятия, чтобы студенты усвоили его и научились применять на практике. Однако определение понятия представляет собой лишь один из начальных этапов его формирование, заканчивающийся образованием абстрактного понятия. Далее идет процесс развития понятия, представляющий постепенное усвоение содержания и объема понятия, его связей и отношений с другими понятиями.

Овладение понятиями наряду с этим предполагает формирование у студентов умения оперировать понятиями, применять их к решению учебно-познавательных и практических задач. Поэтому можно утверждать, что этот процесс предполагает активную мыслительную деятельность учащихся.

При формировании понятий, не имеющих опоры в жизненном опыте студентов, необходима организация наблюдений за явлениями, демонстрируемыми преподавателем или воспроизводимыми самими студентами. Так происходит формирование целого ряда понятий на первом этапе изучения физики, например понятий о диффузии, конвекции, электромагнитной индукции. Демонстрационные и лабораторные опыты с последующим анализом данных опытов необходимы также при формировании понятий, выражающих, сложные свойства объектов и величин, их характеризующих, например, при формировании понятий «сила тока», «напряжение», «сопротивление».

Рассмотренные способы предусматривают формирование понятий с чувственно-конкретного восприятия, например, с наблюдения опытов. Данные опытов анализируются; при этом выделяются общие существенные признаки, отбрасываются несущественные. Так происходит абстрагирование. Этот процесс обычно завершается словесным определением понятия, синтезирующим в себе его существенные признаки. Этот процесс составляет содержание первого этапа в формировании понятия. Существенность его заключается в движении от чувственно-конкретного восприятия к абстрактному мышлению.

Содержание второго этапа в формировании понятия является движение от абстрактного к конкретному, к общему в мышлении. При этом обогащается содержание понятия, уточняется его объем, все полнее раскрываются связи и отношения с другими понятиями. Так, например, происходит развитие понятия «атом»: от представления об атоме как мельчайшей частице вещества, входящей в состав молекул, до понятия об атоме, имеющем сложную структуру, состоящем из положительно заряженного ядра и электронной оболочки, суммарный отрицательный заряд которой по абсолютному значению равен суммарному положительному заряду ядра. По мере изучения курсов физики и химии понятие «атом» «обрастает» системой других понятий, характеризующих, свойства атома. Это относится и к понятиям «вещество», «электрон», «энергия», «движение» и т.д.

При формировании ряда понятий опора на конкретно-чувственное восприятие в узком смысле понимания этого слова невозможна. Таковы например понятия «атом», «электрон», «протон», «нейтрон». В таких случаях овладение понятием происходит иным путем. Оно начинается с постановки проблемы и описания классических опытов, результаты которых привели ученых к выводу о недостаточности имеющихся знаний для объяснения новых фактов, о необходимости введение новых понятий, адекватно описывающих их.

В некоторых случаях на первом этапе изучения предмета сами опыты не рассматриваются вследствие их сложности, студентов знакомят лишь с результатами опытов и выводами, которые следуют из них.

2. Анализ различных точек зрения на особенности процесса усвоения научных понятий учащимися в процессе обучения

Для решения вопроса о выборе оптимального способа формирования того или иного понятия необходимо знать различные способы, их достоинства и недостатки, условия успешного применения. Необходимо знать особенности самого процесса усвоения понятий. Только при этом условии преподаватель может вполне осознанно и уверенно произвести отбор наиболее эффективного способа формирования для каждого отдельного понятия или класса понятий. Выбор правильного способа особенно важен при формировании фундаментальных понятий.

Знания особенностей процесса усвоения понятий и возможных способов их формирования особенно необходимы составителям программ, авторам учебных и методических пособий. Многие недостатки в структуре действующих программ и учебников в значительной мере обусловлены незнанием теории формирования понятий или в решении важнейших вопросов образования - определении содержания и структуры учебных предметов, методики их преподавания.

В результате исследований психологов и методистов выявлены основные закономерности процесса усвоения понятий учащимися, изучены пути их формирования (П.Я. Гальперин, В.В. Давыдов, Н.А. Менчинская, М.Н. Шардаков).

Существуют различные точки зрения по вопросу об особенностях процесса усвоения понятий учащимися. Одна из них принадлежит известному психологу Н.А. Менчинской, которая, как и многие другие, считает, что:

1) содержание понятий студенты понимают не сразу, а постепенно, по частям, причем у разных студентов процесс усвоения происходит с разной скоростью и часто растягивается на очень длительный срок;

2) долгое время научные признаки понятия искажаются, сочетаясь с «донаучными»;

3) разделение главных и второстепенных признаков понятий и систематизация их устанавливаются лишь постепенно;

4) постепенно происходит и обобщение понятия, которое у слабых студентов часто остается совершенно недостаточным;

3. Анализ различных способов формирования понятий

Первоначально теория поэтапного формирования умственных действий была выдвинута и получила развития в трудах П.Я. Гальперина и Н.Ф. Талызиной. Они опирались на психологическую теорию деятельности, разработанную А.Н. Леонтьевым на основе теории познания. Согласно теории деятельности А.Н. Леонтьева:

1. Предмет психологии - целостная деятельность субъекта как органическая система во всех ее формах и видах, в их взаимопереходах и трансформациях, в ее филогенетическом, историческом и онтогенетическом развитии.

2. Генетически исходной и основной является внешняя, предметная, чувственно-практическая деятельность, от которой производны все виды внутренней психической деятельности индивидуального сознания, обе эти формы имеют общественно-историческое происхождение и принципиально общее строение.

3. Взаимопревращающимися единицами, или «составляющими» деятельности являются потребность - цель - условия и соотносимые с ними деятельность - действия - операции.

4. Главными процессами деятельности выступают интериоризация внешней ее формы, приводящая к субъективному образу действительности, и экстериоризация ее внутренней формы как опредмечивание образа.

5. Деятельность детерминируется предметом, затем она опосредуется и регулируется его образом.

6. Предметный характер деятельности реализуется через нужду субъекта, переходящую в потребность, и через поисковые, опробовающие действия, имеющие функцию уподобления.

7. Деятельность и ее составляющие по определенному закону дробятся и укрупняются, чему соответствуют дифференциация и интеграция ориентирующих их субъективных образов.

4. Основные критерии формирования понятия

Для успешного формирования физических понятий учителю важно знать основные критерии, по которым можно судить о степени овладения учащимися понятиями, типичные недостатки в усвоении понятий и причины их появления, способы корректировки донаучных представлений учеников. Остановимся кратко на этих вопросах.

Обычно в качестве основных критериев, позволяющих судить о степени сформированности понятии, выделяют следующее:

- знание существенных признаков понятия, свободное формулирование его определения;

- знание существенных связей и отношений этого понятия с другими;

- умение отделить важные признаки данного понятия от второстепенных;

- умение отличить понятие от других, сходных с ним по каким либо

признакам;

- умение применять его при решении различного рода познавательных и практических задач (последнее в значительной мере характеризует и степень обобщенности понятия в сознании ученика и его усвоение).

В зависимости от степени овладения понятиями обычно различают четыре уровня их усвоения и умения оперировать ими.

Первый уровень определяется диффузно рассеянным представлением о предмете (или явлении), при котором ученик может отличить его от других, но признаки указать не может; он не в состоянии решать задачи с использованием этого понятия даже в “стандартных” ситуациях.

При втором уровне ученик указывает признаки понятия, но ещё не отличает существенных признаков от второстепенных, способен решать лишь самые простые физические задачи по образцу.

Третий уровень усвоения понятия характеризуется тем, что ученик знает существенные признаки понятия, оперирует ими т.е. может решать задачи, однако его понимание сковано единичными образами, не обобщено и ученик не способен к переносу знаний и применению их в новых ситуациях.

И наконец, четвертый уровень характеризуется усвоением не только существенных признаков понятия, но и его связей с другими; понятие обобщено, ученик способен применять его в знакомой и новой ситуациях.

5. Качественная характеристика электрического тока в науке

О содержании понятия в физике можно судить по его интерпретации в учебниках и учебных пособиях по физике. Ток, заряд, напряжение, сопротивление - это основные величины, характеризующие электрический ток в проводнике.

Цель. Ознакомить с батареей - устройством, которое разделяет заряды химическим путем. Показать, что присоединение полюсов батареи к внешней цепи приводит к возникновению электрического тока, т.е. протеканию заряда по цепи.

Методические указания. Поскольку батарея представляет собой весьма сложное устройство, вдаваться в пространные рассуждения о механизме ее действия нецелесообразно. Нужно просто рассказать о том, что батарея представляет собой весьма сложное устройство, в котором отрицательный заряд перетекает от ее положительного полюса к отрицательному. (На самом деле в батарее могут перетекать и положительные заряды). Батарея переносит заряд до тех пор, пока отталкивание между накопившимися на ее полюсах зарядом и всяким другим дополнительным зарядом того же знака не уравновесит действие химических сил. Тогда процесс переноса заряда приостанавливается. Если такой посторонний процесс снимает отрицательный заряд с одного полюса батареи и переводит его обратно на другой, то батарея возобновит перенос заряда, пока не истощится полностью.

Студентам надо дать понять, что батарея не создает заряд, она просто перемещает его. Батарея никогда не накапливает заряд в чистом виде. Употребление терминов «заряжать» и «разряжать» в приложении к батареям надо признать весьма неудачным, потому что они как предполагают накапливание заряда в батарее. На самом деле накапливается химическая энергия, которую можно направить на совершение работы, т.е. заставить заряд перемещаться против электрических сил, порождающих рекомбинирование положительных и отрицательных зарядов. По мере того, как отрицательные частицы достигают положительного полюса батареи, они компенсируют там часть положительного заряда; покидая отрицательный полюс батареи, они уносят с нее отрицательный заряд. Но батарея обеспечивает подачу зарядов к полюсам. Скорость, с которой батарея перемещает свои заряды, определяется скоростью, с которой заряды вне батареи текут по проволоке и компенсируются. После того как студенты изучат следующую главу, полезно обратить их внимание на такое, например, обстоятельство. В течение одного срока службы без зарядки типичный автомобильный аккумулятор переносит = 360000 кулонов (Кл) электричества.

Результирующая скорость течения элементарных зарядов одинакова во всей цепи. Так должно быть потому, что когда ток течет равномерно, заряды не скапливаются ни в каком участке цепи. Поэтому в один конец какого-либо участка входит столько же элементарных зарядов, сколь через другой конец выходит. Постоянный электрический ток нельзя измерить, наблюдая изменение заряда. Но можно представить себе наблюдателя, который может сосчитать элементарные заряды, проходящие мимо определенной точки цепи. Если проследить за частицами, проходящими по проволоке в определенном месте, то можно обнаружить I отрицательно заряженных частиц, или I электронов, проходящих за секунду. Если смотреть на заряженные частицы, проходящие через электролитическую ванну в определенном месте, то так же будет обнаружено I элементарных заряженных частиц, проходящих в секунду. Но здесь Нади подсчитать как число отрицательных частиц, движущихся в одном направлении, так и число положительных частиц, проходящих в противоположном направлении, и сложить эти числа для получения полного электрического тока, являющегося мерой полного переноса заряда.

Поток заряженных частиц в проводнике называется электрическим током. В частности, постоянный ток электрических частиц, создаваемый батареей, называется постоянным током.

Электрические токи производят различные действия. Например, металлическая проволока, по которой проходит достаточно большой ток, нагревается. Можно изготовить приборы для обнаружения этих действий и таким образом измерять электрические токи.



3.2 Структура процесса формирования понятий «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление»

Формирование понятий «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» - есть сложный, продолжительный по времени процесс, включающий следующие этапы:

1. Чувственно-конкретное восприятие, осуществляемое в различных условиях (наблюдения, эксперимент, самостоятельная работа с учебником). К числу воспринимаемых объектов относятся и знаковые изображения объектов (на схемах, графиках, в формулах и т.д.). для успешного формирования понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» необходимо организовать активную познавательную деятельность студентов, последнее может быть осуществлено с помощью специально разработанной системы самостоятельных работ включающих следующие виды:

a) Самостоятельная работа с учебной литературой

Умение работать с книгой важно не только в системе умений самостоятельно приобретать знания, но и в решении всех задач обучения. Оно является одним из решающих факторов хорошей успеваемости по физике, и во все периоды развития методики ее преподавания, когда менялась степень актуальности различных задач обучения, его значение не уменьшалось. Традиционно разрабатываемые направления умений:

1. самостоятельно делить текст на части, озаглавливать их.

2. составлять план к параграфам учебника.

3. находить ответы на вопросы, сформулированные преподавателем или содержащиеся в конце параграфа.

4. работать с оглавлением, именным указателем.

5. работа с графиками и таблицами.

6. выделять в тексте основные структурные элементы системы научных знаний (факты, понятия, законы, теории).

7. пользоваться планами обобщенного характера в процессе самостоятельного изучения основных структурных элементов системы знаний.

8. работать со сложным текстом: делить его на части, составлять сложные построения ответов.

9. конспектировать дополнительную литературу.

10. составлять тезисные планы при подготовке к семинару.

11. работать с каталогом.

12. самостоятельно находить литературу, по интересующим в данный момент вопросам.

13. составлять библиографию.

b) Эксперимент

Наблюдение как метод исследования, без сочетания с другими методами научного исследования, дает возможность изучить лишь внешние признаки явлений и предметов. Более глубокие знания о сущности явлений и свойств предметов могут быть получены с помощью экспериментального и теоретического методов исследования.

Под экспериментом понимают научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его каждый раз при повторении этих условий.

Экспериментальный метод дает возможность установить причинно - следственные связи между явлениями, связи между величинами, характеризующими свойства тел и явлений, выяснить кинетику, динамику процессов и их энергетическую сущность.

Вместе с производственной деятельностью людей эксперимент составляет важнейшую сторону практики, являющейся основой познания и критерием истинности результатов познания. С помощью эксперимента наука в состоянии не только объяснить явления материального мира, но и непосредственно овладевать ими. Поэтому эксперимент является одним из главных средств связи науки с производством. Он позволяет осуществлять проверку правильности научных выводов и открытий новых закономерностей. Ниже представлен пример лабораторной работы для формирования и закрепления понятий «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление».

с) Лабораторная работа

Каждая работа содержит письменное руководство, где указаны номер и название работы, литература, цель и задания. Задания содержат:

а) указания, что нужно изучить теоретически для осмысленного понимания сущности демонстрационных опытов;

б) перечень и описание основных приборов для выполнения предстоящей работы;

в) основные опыты по теме лабораторной работы;

г) вопросы, на которые студент должен дать ответы;

д) указания по выполнению работы и отчета.

Выполнение работы разбивается на два этапа: теоретический и практический. Первый предусматривает самостоятельную работу студента в удобное для него время. Он по школьным и вузовским учебникам должен теоретически изучить данный вопрос, по описанию ознакомиться с приборами, составить план работы, продумать ответы на вопросы допуска.

Составляя план работы, студент должен записать в тетрадь для лабораторных работ номер и название работы, краткие сведения о приборах, схемы и чертежи установок (нужно записать название и марку прибора, пределы измерений и цену деления, возможные регулировки, название ручек и управления и пр.).

Исследование зависимости мощности, потребляемой лампой накаливания, от напряжения на ее зажимах

Цель работы:

1) освоить метод измерения мощности, потребляемой электроприбором, основанный на измерении силы тока и напряжения;

2) Исследовать зависимость мощности, потребляемой лампой, от напряжения на ее зажимах;

3) Исследовать зависимость сопротивления проводника от температуры.

Введение

Работа электрического тока, совершаемая на участке электрической цепи, равна

A = U I ф,

где U - напряжение на участке цепи;

I - сила тока, протекающего по цепи;

Ф - время его протекания.

Мощность определяется как работа, совершаемая за единицу времени:

Проволочную спираль лампы накаливания можно рассматривать как резистор с определенным сопротивлением.

Если участок цепи содержит резистор, на нем будет происходить необратимое преобразование энергии электрического тока во внутреннюю энергию проводника резистора. Иными словами резистор, потребляя энергию электрического тока, преоьразует ее в тепло. Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты Q, которое при этом выделится в проводнике, равно работе электрического тока А:

Q = A = U I ф.

Следовательно, потребляемая лампой мощность:

P = UI (1)

Сопротивление спирали лампы вычисляют на основании закона Ома для однородного участка цепи:

(2)

Увеличение внутренней энергии спирали лампы приводит к повышению ее температуры и сопротивления. Зависимость сопротивления проводника от температуры имеет вид:

, (3)

где R₀ - сопротивление проводника при 0⁰С;

б - температурный коэффициент сопротивления материала, из которого изготовлен проводник. (Спираль лампы накаливания изготовлена из вольфрама, его б=0,0048 К^-1).

Зная сопротивления «нагретого» и «холодного» проводника, а также температурный коэффициент сопротивления материала, из которого он изготовлен, можно определить температуру проводника:

(4)

Оборудование:

Выпрямитель ВУ-4, мультиметр, лабораторный вольтметр, ключ, реостат с сопротивлением обмотки 100 Ом, лампа накаливания (3,5В; 0,25А), соединительные провода.

Описание экспериментальной установки

Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис.1.

К выходным гнездам выпрямителя подключают электрическую цепь, составленную из соединенных последовательно лампы накаливания, реостата и амперметра. Амперметром служит мультиметр, переведенный в режим измерения силы постоянного тока. Параллельно лампе подключают лабораторный вольтметр.

Напряжение выпрямителя U, напряжения на реостате U_р и лампе U_л связаны соотношением U= U_р+ U_л

Напряжение на лампе равно разности выходного напряжения выпрямителя и напряжения на реостате: U_л= U- U_р

Напряжение на выходе выпрямителя в ходе опыта не меняется. Для изменения напряжения, приложенного к лампе, меняют напряжение на реостате, которое зависит от его сопротивления: чем оно больше, тем больше и напряжение. Напряжение на лампе при этом минимально. Уменьшая сопротивление резистора, уменьшают приложенное к нему напряжение, при этом напряжение на лампе увеличивается. Если движок резистора перевести в левое по схеме положение, напряжение на нем станет равным нулю, а напряжение на лампе достигнет максимально возможного в условиях опыта значения, равного значению напряжения на выходе выпрямителя: U_л= U.

В данном опыте сопротивление спирали лампы при комнатной температуре допустимо приравнивать к сопротивлению при 0 ⁰С.

Вопросы и задания для проверки готовности к выполнению работы

1. В каком положении должен находиться ползун реостата, чтобы напряжение на лампе было минимальным?

2. Может ли напряжение на лампе при использовании данной установки стать равным нулю?

3. Запишите формулы для вычисления границ абсолютных погрешностей прямых измерений напряжения и силы тока.

4. Запишите формулы для расчета границ относительных и абсолютных погрешностей определения мощности лампы, сопротивления и температуры ее спирали.

Ход работы

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

2. Измерьте мультиметром сопротивление лампы при комнатной температуре. В дальнейшем это значение сопротивления считать равным R₀.

3. Подготовьте мультиметр для измерения силы постоянного тока.

4. Соберите экспериментальную установку по схеме рис.1.

5. Включите выпрямитель и установите ползун реостата в положение, при котором напряжение на лампе составляет 0,4 В.

6. Занесите показание мультиметра, соответствующее этому напряжению в таблицу.

7. Увеличивайте напряжение на лампе с интервалом 0,4 В до максимально возможного и заносите в таблицу показания мультиметра, соответсвующие каждому значению напряжения.

8. Вычислите границы абсолютных погрешностей прямых измерений напряжения и силы тока.

9. Вычислите по формуле (1) мощность, потребляемую лампой в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответствовало значениям, указанным в таблице.

10. Вычислите границу абсолютной погрешности, с которой получено значение мощности лампы для каждого измерения.

11. Вычислите по формуле (2) сопротивление спирали лампы в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответствовало значениям, указанным в таблице.

12. Вычислите границу абсолютной погрешности, с которой получено значение сопротивления спирали лампы для каждого измерения.

13. Вычислите по формуле (4) температуру спирали лампы в те моменты опыта, когда напряжение на ней соответствовало значениям, указанным в таблице.

14. Вычислите границу абсолютной погрешности, с которой получено значение температуры спирали лампы для каждого измерения.

15. Постройте график зависимости силы тока в лампе от приложенного к ней напряжения.

16. Постройте график зависимости мощности, потребляемой лампой от приложенного к ней напряжения.

17. Постройте график зависимости температуры спирали от приложенного к лампе напряжения.

18. Постройте график зависимости сопротивления спирали от ее температуры.

19. Сделайте вывод по виду построенных графиков о том, как менялись потребляемая лампой мощность, сопротивление и температура спирали при увеличении приложенного к лампе напряжения.

20. Сделайте вывод о том, как изменялось сопротивление спирали лампы при увеличении ее температуры.

Контрольные вопросы

1. Как объяснить зависимость сопротивления спирали лампы от температуры?

2. Какие характеристики измерительных приборов должны быть изменены и как, чтобы повысить точность измерения мощности рассмотренным способом.

3. Как объяснить то факт, что сила тока в лампе изменялась не прямо пропорционально изменению напряжения?

Дополнительные задания

1. По графику I (U) определите силу тока, соответствующую напряжению, указанному на цоколе лампы. Сравните полученное значение тока со значением, указанным на цоколе.

2. По графику I (U) определите сопротивление спирали лампы при минимальном и максимальном ее накалах. Сравните данные, полученные при анализе графика, со значениями, взятыми из таблицы. [29, стр 19]

d) наблюдения

Под наблюдением понимают относительно длительное, целенаправленное и планомерное восприятие предметов и явлений окружающей действительности; метод познания действительности на основе непосредственного восприятия. Научно поставленное наблюдение строится по заранее обдуманному плану, ведется систематически, имеет строго определенную задачу.

Успех наблюдений зависит от ясности и конкретности поставленной цели наблюдения, наличия необходимых знаний о наблюдаемых предметах и явлениях, умения анализировать и синтезировать материал наблюдения, четкой фиксации результатов наблюдения в форме протокола, схемы, чертежа, рисунка и т.д.

Для выработки обобщенного умения самостоятельно вести наблюдения необходимо познакомить студентов с общей структурой наблюдений:

1. формулировка цели наблюдения.

2. выбор объекта наблюдения.

3. выяснение условий, необходимых для наблюдения.

4. практическое создание условий, необходимых для наблюдения.

5. планирование наблюдения.

6. выбор способа фиксирования (кодирования) наблюдаемого.

7. выполнение наблюдения, сопровождаемое фиксированием получаемой информации.

8. анализ результатов наблюдения.

9. формулирование выводов и их фиксирование.

2. Выявление общих существенных свойств класса наблюдаемых объектов

В формирований понятий ток, заряд, напряжение, сопротивление все большее значение приобретают словесно-логический компонент мышления, теоретические обоснования. Но это ни в коей мере не означает снижения роли в этом процессе наглядно-образного практически-действенного компонентов. Во всех случаях, когда при формировании понятий представляется возможным опираться на наглядные образы и практический действия учащихся, сопровождающихся их активной мыслительной деятельностью.

Все основные понятия при изучении постоянного тока следует вводить на примере тока в металлах. В этом случае электрический ток определяют как упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля.

Формируют это понятие на основе ряда опытов и аналогий.

3. Абстрагирование

Особенность формирования физических понятий, заключается в том, что многие из формируемых в электричестве понятий являются понятиями высокой степени абстрактности. В курсе физики такими понятиями являются, например, понятия «электрическое поле», «ток» и т.д. Усвоение этих понятий требует высокого уровня развития абстрактного мышления учащихся и тщательно продуманного обоснования необходимости введения их в науке.

При формировании понятий высокой степени абстрактности возникает необходимость в использовании имитационных (мультипликация) фильмов, имитирующих механизм сложных явлений и процессов, скрытых от глаз человека; схем-моделей (строение атома, движение электрического тока по проводнику) и т.п.

4. Определение понятия

Важную дидактическую задачу представляет определение понятий, выработка умения давать правильные определения усеваемых понятий.

Известно несколько способов определения понятий. Наиболее распространенным из них является определение через ближайший род и видовое отличие.

В определениях через ближайший род и видовое отличие различают две части: определяемое понятие (definendum) и определяющее понятие (definiens). «Определяемое понятие это понятие, существенные признаки которого отыскиваются, а определяющее понятие - это понятие, отображающее родовой и видовой признаки».

На первом месте располагается определяемое понятие, на втором - указание ближайшего рода, на третьем видовое отличие. Усвоение правил и структуры определения помогает использование таблицы 1.

Таблица 1

Усвоение правил и структуры определения

Определяемое понятие	Определяющее понятие
	Ближайший род	Видовое отличие
Сила тока	физическая величина	определяемая количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени
Электродвигатель	двигатель	преобразующий электрическую энергию в механическую
двигатель	машина	преобразующая какой-либо вид энергии в механическую энергию

5. Уточнение и закрепление в памяти существенных признаков понятия

Решение этой задачи достигается организацией специальных групп упражнений: а) по варьированию несущественных признаков, б) по дифференцировке (отграничению) сходных понятий, в) применением контробраза.

Суть упражнения по варьированию несущественных признаков заключается в том, что в объектах, предлагаемых вниманию, при наличии общих существенных признаков имеются свои индивидуальные различия, индивидуальные (несущественные) признаки. Студенты должны из всего разнообразия признаков выделить существенные.

6. Установление связей данного понятия с другими понятиями

Это осуществляется различными методами в зависимости от типа понятия. При формировании понятия о явлениях организуются опыты и наблюдения, на основе которых устанавливается зависимость явления от условий, в которых оно протекает. При формировании понятия о величине, как в нашем случае, об «электрическом токе» студенты сами выполняют опыт, на основе которого устанавливают факт существования электрического тока и заряда. Выявлению (уточнению) связей между величинами способствует построение графиков зависимости между величинами и их анализ. Этому способствует также анализ формул, полученных на основе опытов или теоретических рассуждений.

Студенты не сразу овладевают понятием, а постепенно усваивают его содержание, объем, связи и отношения с другими понятиями. В процессе изучения того или иного учебного предмета у студентов в начале формируются отдельные понятия, а за тем системы понятий (понятий определенной темы или раздела курса). Усвоение понятий одной системы осуществляется через их связь с понятиями других систем, так при формировании понятия электрического тока преподаватель опирается на понятие упорядоченного движения электрического заряда по проводнику.

Одновременно с процессом формирований новых понятий происходит углубление ранее сформированных, при этом раскрываются все новые и новые стороны, связи и отношения, уточняются границы применения. Этот процесс называется конкретизацией понятий.

7. Применение понятий в решении задач учебного характера

Целью данного этапа является выработка у студентов умения оперировать понятием в решении задач. При решении этих задач одновременно достигается также уточнение и закрепление знаний студентов о связях и отношениях данного понятия с другими, ранее усвоенными понятиями, а также дальнейшее их отграничение.

Решение задач иногда позволяет ввести новые понятия и формулы, выяснить изучаемые закономерности, подойти к изложению нового материала. Например после решения простейших задач на применение формулы I=q/Дt целесообразно решить задачу, в котором используют другие известные ранее понятия.

Ниже приведены примеры подобных задач

Задачи

1. К концам проводника сопротивлением 10³ Ом приложено напряжение 2 В. Какой заряд проходит через поперечное сечение проводника в течение 5 с?

Решение. Запишем закон Ома для участка цепи , а также формулу для силы тока из определения I=q/Дt, тогда

и (5)

Подставляя числовые данные? Получим

Зависимость в начале обслуживают при решении качественных задач.

2. Длину медной проволоки вытягиванием увеличили вдвое. Как изменилось сопротивление проволоки?

3. Проволоку сопротивлением R разрезали на две разные части и скрутили их вместе по всей длине. Каково теперь сопротивление проволоки?

4. Определите сопротивление медного провода длиной 1 км при площади поперечного сечения 2 мм².

Решение. Из таблицы найдем удельное сопротивление меди см=0,017* 10^-6Ом*м. подставим числовые данные в формулу R=; S=2мм²=2*10^-6 м², l= 1км=1000м=10³м, тогда

R=0,017*10^-6 Ом * м * =8,5 Ом.(6)

5. Определите удельное сопротивление провода, если известны его диаметр d=1,5 мм, длина l=14,2 м, а при напряжении U=18 В в нем устанавливается сила тока I=2,25 А.

Решение: Удельное сопротивление провода найдем из формулы

, но тогда

.(7)

Подставляя числовые данные, получим = 1,0 * 10^-8 Ом * м.

6. Определите площадь поперечного сечения и длину проводника из алюминия, если его сопротивление R=0,1 Ом, а масса m=54 г.

Решение: Запишем систему уравнений:

, ,(8)

Где с' - плотность алюминия, отсюда

или и (9)

Из таблицы находим удельное сопротивление алюминия с = 0,029 * 10^-6 Ом * м и плотность алюминия с = 2,7 * 10³ кг/м³; l = 8,3 м; S = 2,4 * 10^-6 м².

Классификация понятия

Важным видом работы по усвоению понятий является выполнение заданий по классификации понятий. Пока заданиям такого вида не уделяется должного внимания в обучении физике. Задания по классификации отсутствуют в учебниках, их нет в сборниках задач. Производя классификацию понятий (явлений, свойств тел, структурных форм вещества, видов движения, физических величин и т.д.) учащиеся решают целый ряд познавательных, логических задач:

а) находят общий существенный признак класса объектов, подлежащих классификации, который мог бы служить основанием классификации;

б) выявляют видовые отличия объектов;

в) производят операцию деления объема понятия;

г) выявляют отношения подчинения и соподчинения.

Цель этого этапа - уточнить, обобщить знания о связях и отношениях группы уже сформированных понятий. Кроме того, его цель - ознакомить студентов с сущностью и правилами научной классификации, раскрыть значение классификации в упорядочении и систематизации накопленных знаний. При классификации очень важно правильно определить основание деления - существенный признак, по которому более общее (родовое) понятие делится на виды. Один из примеров классификации приведен в рисунке 3:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3

8. Обогащение понятия

Обогащение понятия в процессе его формирования - выявление новых существенных свойств (сторон) объектов, отражаемых в сознании с помощью данного понятия. Моменты (этапы обучения), соответствующие обогащению понятия, называют узловыми точками в развитии понятия. Так, обогащение понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» происходит в дальнейшем процессе изучения курса общей физики, например, в механике студенты первоначально изучают кинетическую и потенциальную энергии взаимодействия тел, а при изучении молекулярной физики данные понятия обогащаются на примере движения и взаимодействия молекул и атомов.

9. Вторичное более полное определение понятия

Определение понятий не остается чем-то раз навсегда данным, неизменным. По мере развития понятий в науке (что отражает более глубокое познание материальной действительности) пересматривается содержание определений в направлении более точного, полного отражения существенных свойств (сторон) предметов, охватываемых данным понятием. Изменение определений в науке находит отражение и в учебной литературе.

Например, в школьном курсе электрический ток определяют как упорядоченное движение электрических зарядов. Однако все основные понятия при изучении постоянного тока вводят на примере тока в металлах. В этом случае электрический ток определяют как упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля.

В вузе понятие дается - «электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток, характеристики которого не изменяются со временем, называют постоянным током». Все это «узловые» моменты в развитии понятия.

10. Опора на данное понятие при усвоении нового понятия

Опора на понятие «электрический ток, заряд, напряжение, сопротивление» при усвоении новых понятий происходит при последующем изучении курса физики, данное понятие обогащается при изучении главы электромагнитных колебания и волны.

11. Установление новых связей и отношений данного понятия с другими

Суть данного этапа заключается в том, что формируемое и непрерывно развивающееся понятие включается в новые, более широкие связи - связи с понятиями, формируемыми в процессе изучения новых тем или разделов курса, а также с понятиями, формируемыми при изучении других учебных дисциплин. Например, при изучении теории относительности понятие «квант энергии», формирование которого было начато при изучении темы «квантовые свойства света», включается в систему понятий теории относительности; здесь устанавливается связь импульса фотона, скорости распространения света:

(10)

Вместе с тем, здесь устанавливаются существенные связи и более отдаленных (по времени начала формирования) понятий массы и энергии

;

импульса частицы, длины волны и скорости распространения света:

или ,(11)

где р - импульс любой частицы; устанавливается общность (справедливость) законов сохранения энергии и импульса для макротел и частиц (вещества и поля).

Выделенные этапы развития сложных понятий можно проследить на примере формирования многих естественнонаучных и общенаучных понятий, например, понятий материя, движение, масса, импульс, сила, работа, ток, заряд, напряжение, сопротивление и другие.

Отдельные элементы процесса формирования понятия могут меняться местами во времени или осуществляться одновременно, в неразрывной связи, но все они должны реализовываться при формировании понятия. Способы их реализации могут быть различны. Они должны определяться с учетом содержания, природы понятия, общего развития студентов, имеющейся у них понятийной базы.

12. Методика проведения дидактического эксперимента и анализ его результатов

Целью эксперимента явилась проверка возможности и эффективности разработки методики формирования понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» в процессе обучения физике на педагогических специальностях высших учебных заведений в условиях кредитной системы обучения.

Педагогический эксперимент рассматривается как комплекс методов исследования, позволяющих обеспечить доказательную и научно-объективную проверку правильности гипотезы, которая была выдвинута.

Общее число учащихся, принявших участие в педагогическом эксперименте, составило 21 человек, что обеспечивает статистическую достоверность полученных результатов.

В экспериментальной работе принимали участие студенты Костанайского социально-технического университета специальностей «Информатика», «Физика», «Экология», «География». Эксперимент осуществлялся в рамках естественного образовательного процесса университета на практических занятиях по физике.

Цели экспериментального исследования ставились следующие: разработать и реализовать методику формирования у студентов высших учебных заведений научного понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» в условиях кредитной системы обучения, педагогические условия ее эффективного функционирования, выявление результатов предложенной методики.

Определяя показатели эффективности обучения в экспериментальных и контрольных группах, остановимся на следующих показателях:

• объем, глубина понимания и оперативность знаний студентов;

• степень овладения пониманием структуры изучаемого раздела;

• умение ориентироваться в иерархических связях между понятиями раздела.

Исследовательская работа проходила в несколько этапов:

1. Экспериментально - аналитический.

• разработка методики формирования понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» в условиях кредитной системы обучения;

• фиксирование данных о ходе эксперимента на основе контрольных срезов, характеризующих изменения объектов под влиянием экспериментальной системы мер.

2. Обобщающий

• статистическая обработка результатов эксперимента;

• конечная диагностика уровня усвоения понятия «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» студентами;

• осмысление и аналитическое изложение выводов.

Для оценки достигнутого уровня овладения понятием «ток», «заряд», «напряжение», «сопротивление» у студентов вузов в процессе изучения курса общей физики при кредитной системе обучения было введено несколько показателей, измерение которых в ходе обучающего эксперимента дало возможность проследить изменения в контрольных и экспериментальных группах.

Измерение показателей проводилось в различных шкалах. Поэтому, с целью унификации измерений и перехода к обобщенному показателю (коэффициенту), все измерения сведены к порядковой (ранговой) шкале и выделены 4 (четыре) уровня:

0 -- нулевой уровень: студент обладает представлениями о разделе, знаниями о понятиях курса, но отобразить их в виде единой системы он не в состоянии;

1 -- первый уровень: студент обладает частичными знаниями о структуре курса, умеет отслеживать отдельные связи между понятиями;

2 -- второй уровень: уровень знаний о структуре курса средний, студент может указать исходные понятия, генетически исходное понятие, однако отсутствуют полные представления о структуре курса;

3 -- третий уровень: характеризуется полными представлениями о структуре курса, пониманием взаимосвязей между понятиями.

Проверка эффективности разработанной методики осуществлялась по средствам анкетирования в контрольных и экспериментальных группах. Ниже предоставлена предложенная анкета.

В качестве основного количественного критерия полноты усвоения студентами содержания научных понятий мы выбрали «коэффициент полноты усвоения студентами содержания понятий», который вычисляется нами по методике, разработанной А.В. Усовой:

, где(12)

l_i -- число существенных признаков понятий, усвоенных i-тым студентом;

l -- общее число признаков понятия;

n -- число учащихся.

1) коэффициент полноты выполнения операций вычисляется по формуле:

, где (13)

m_i -- число операций, выполненных i-тым учащимся;

m -- общее число операций;

n -- число учащихся.

Рассчитанное нами значение коэффициента успешности равно 1,26, что в соответствии с методикой А.В. Усовой говорит об эффективности предлагаемой новой методики.

2) коэффициент полноты усвоения объема понятия

(14)

где m_i- полнота усвоения объема i- м студентом,

m- объем, подлежащий усвоению на данном этапе формирования понятия,

n- количество учащихся в классе;

3) коэффициент, характеризующий полноту усвоения связей и отношений данного понятия с другими:

(15)

где f_i- количество связей и отношений, усвоенных i-м студентом,

f - количество связей, которые должны быть усвоены учащимся на данном этапе формирования понятия.

n -- число учащихся.

Согласно формуле «коэффициента полноты усвоения студентами содержания понятий» мы произвели вычисления и определили коэффициент полноты усвоения студентами содержания понятий на первоначальном этапе, результаты которых приведены в таблице 2.



Таблица 2

Коэффициент полноты усвоения студентами содержания понятий на первоначальном этапе

Специальность	Коэффициент усвоения
	первоначальный этап
Экология	0,55
География	0,60
Физика	0,54
Информатика	0,56
Среднее по группам	0,56

Согласно данным, приведенным в таблице 2, получили диаграмму на рисунке 4, графически изображающую коэффициент усвоения на первоначальном этапе.