ФИЗИКА И ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ: ОБУЧЕНИЕ ЧЕРЕЗ ИССЛЕДОВАНИЕ

Аннотация-резюме

Предлагается система преподавания естественных наук (физики и естествознания), отличающаяся тем, что:

1. Материал подается в виде цепочки открытых задач - исследовательских и изобретательских. Базовые знания - законы природы - устанавливают сами ученики при помощи учителя в ходе самостоятельного решения этих задач.

2. Для того, чтобы ученики могли самостоятельно решать исследовательские и изобретательские задачи, предлагается предельно упрощенный алгоритм, состоящий из 3-х ходов для младшей и основной школы и из 7-ми ходов для старшей школы. Шаги алгоритма не зависят от конкретного содержания задачи. Они представляют собой типичные вопросы, которые задавали себе успешные исследователи и изобретатели, совершая выдающиеся открытия и изобретения.

I. Постановка задачи

Известно, что за последние годы интерес учеников к естественным наукам заметно снизился.

Это связано с тем, что при существующих методиках и учебниках дети на уроках естествознания лишены инициативы. Им предлагаются "закрытые" задания, предполагающие единственные ответы, причем правильность этих ответов опирается только на авторитет книги или учителя. Фактически ребята должны поверить автору учебника или учителю на слово - они не могут сами проверить, насколько предлагаемый на уроках материал соответствует действительности. Такое обучение приводит и к потере интереса, и к тому, что дети не могут установить связь изучаемого в школе с реальностью.

Это означает, что подобное обучение лишено смысла.

II. Основная идея

Проблему решает другой подход. Законы природы подаются как ответы на вопросы, которые возникают у детей при наблюдении за природными явлениями. Такой вопрос представляет собой "открытую" задачу (исследовательскую или изобретательскую). Вопрос предполагает в принципе несколько допустимых ответов - "версий" или гипотез. После того, как версии предложены детьми, они обсуждаются, а учитель организует это обсуждение и комментирует полученные результаты. Часто для выбора из многих версий нужно провести новое наблюдение или эксперимент, и мастерство учителя состоит в том, чтобы дать детям возможность провести такое исследование с помощью доступных средств - бытовых предметов, подручных материалов.

При таком подходе возникает необходимость научить детей порядку работы с открытыми задачами. Этот порядок постоянно применялся первооткрывателями в области естественных наук. Он состоит в том, что при встрече с непонятной ситуацией, которая требует исследования, нужно задать несколько последовательных вопросов. В простейших случаях на решение выводят три вопроса:

1. Как сделать, чтобы интересующее нас явление произошло?
2. Каким образом интересующее нас явление могло бы произойти само собой, без целенаправленного вмешательства человека?
3. За счет каких ресурсов могло бы осуществиться интересующее нас явление?

III. Технология работы

Если с детьми для примера разобрать несколько задач с помощью предложенной цепочки вопросов (назовем эту цепочку "трехходовкой" ) - дети способны самостоятельно решать открытые задачи. Необходимые условия при этом: постановка задачи должна быть понятна детям; учитель должен быть уверен, что дети владеют предварительной информацией, необходимой для решения задачи (например, если в задаче говорится о пингвине, дети должны представлять, о ком идет речь). При необходимости такую информацию можно вводить в условие задачи.

Предлагаемые "открытые" задачи можно разделить на два типа - исследовательские и изобретательские. В исследовательских задачах нужно установить причину непонятного явления, в изобретательских - предложить идею устройства или способа, с помощью которого можно решить поставленную проблему.

Если подать материал в виде цепочки "открытых" задач не удается - это означает, что тему излагать преждевременно.

IV. Педагогический эффект

Работа с детьми в таком подходе вызывает у них большой интерес, материал усваивается в десятки раз эффективнее. Основная трудность в подобной работе - большие затраты времени на подготовку занятия, необходимость постоянной самоподготовки учителя, умение владеть дисциплиной на уроке при "включении" детской инициативы.

Главные особенности подхода одинаковы в начальной, основной и средней школе; для задач по физике в старших классах упрощенный алгоритм содержит 7 ходов (приложение 3).

V. Результаты

Создан курс физики для 7 класса, построенный в виде цепочки открытых задач. Курс выдержал 2 издания общим тиражом более 20 тыс. экз. (см. № 5 в списке литературы).

VI. Перспективы

1. Издание сборника творческих задач по физике для старшей школы, снабженного упрощенным алгоритмом решения исследовательских и изобретательских задач (готовится к печати).

2. Издание сборника творческих задач по естествознанию для начальной школы, снабженного упрощенным алгоритмом решения задач (готовится к печати).

3. Создание для основной и старшей школы курсов физики, построенных в виде цепочки исследовательских задач.

Литература:

1. Гин А.А. Приемы педагогической техники. - М.: Вита-Пресс, 1999.

2. Злотин Б.Л., Зусман А.В. Решение исследовательских задач. /рукопись в ЧОУНБ.

3. Злотин, Зусман "Месяц под звездами фантазии" - Кишинёв: "Лумина", 1988 г.

4. Камин А.Л. "Тропою следопыта" /в сб. Педагогика+ТРИЗ / №6."Вита-пресс 2000".

5. Камин А.Л. Физика 7 класс - развивающее обучение, "Феникс", 2003.

6. Перельман Я.М. Занимательная физика. - М.: "Просвещение", 1984.

7. Сикорук Л.Л. Физика для малышей. - М.: Педагогика, 1983.

8. Хуторской А.В. Эвристическое обучение. - М.: 1998.

Приложение 1.

Детская исследовательская лаборатория "Охотники за невидимками"

Участники: ученики 2-3 классов московской школы "Наследник".

Разработчики и ведущие: Е.А.Брускова (школа "Наследник"), А.Л.Камин (Лаборатория образовательных технологий").

Цели ведущих:

1. Организовать собственные исследования детей по экспериментальному изучению свойств воздуха.
2. Показать проявления изученных свойств воздуха в природе и применение их в технике.

Описание работы: Работа была организована в форме исследовательского проекта. Детям предлагалась серия открытых заданий - исследовательских и изобретательских задач. В исследовательских задачах требовалось объяснить непонятное явление, которое предъявлялось детям в виде парадоксального эксперимента (например, воздушный шарик, который дети легко надувают, оказывается, невозможно надуть, если поместить его внутрь 2-литровой бутылки). В изобретательских задачах требовалось добиться неочевидного практического результата (например, перенести воду из одного сосуда в другой, не прикасаясь ни к одному из сосудов). Всего каждой группе в течение 10 часов занятий предлагалось около 20 таких задач. Самые выразительные опыты фотографировались.

В дополнение к открытым задачам давались свободные задания на выбор - (сочинить сказку о воздухе; придумать, показать и объяснить опыт; изготовить игрушку, в которой главное действие производит воздух).

После каждой задачи выслушивались версии детей, эти версии совместно обсуждались детьми (высказывался каждый участник по схеме "Сделал… - получилось… - это можно объяснить тем, что…", на этой стадии ведущие помогали каждому участнику выразить и прояснить собственную точку зрения. Каждый участник вел собственный лабораторный журнал, куда записывались версии и результаты. Только после этого ведущие предлагали "каноническую" научную точку зрения, не настаивая на ней. В случае возражений ведущие предлагали способы проверки (чаще всего экспериментальные) конкурирующих версий.

В конце каждой темы участникам предлагались новые для них открытые вопросы и задачи. Чтобы справится с ними, дети должны были использовать представления, усвоенные на предыдущих этапах работы. Это следующие представления:

• воздух можно сжать, сжатый воздух становится упругим, "толкается";
• воздух может удерживать предметы, на воздух можно опираться, воздух может тормозить движение;
• в воздухе могут возникать потоки, ветер - тоже воздушный поток;
• воздух способен оказывать сильное давление на предметы, находящиеся в нем; действие пипеток, шприцов, присосок связаны с давлением воздуха;
• воздух можно увидеть и даже сфотографировать;
• все эти свойства воздуха живые существа используют для жизни, а человек еще и создает полезные устройства (парашют, пылесос, воздушное ружье, мяч, насос и т.д.)

Участники решили самостоятельно задачи по всем темам, за исключением темы "Давление воздуха".

Примеры экспериментальных задач.

• Стрельба из бутылки: объяснить, почему происходит "выстрел".
• Надуть шарик в бутылке: объяснить, почему не получается, хотя места достаточно.
• Удержать теннисный шарик в воздухе, чтобы он не опирался ни на что, кроме воздуха
• Замедлить падение груза.
• Как управлять движением в воздухе с помощью воздуха?
• Перенести жидкость из одного сосуда в другой, не прикасаясь ни к одному из сосудов (рядом с сосудами лежит трубка, открытая с обоих концов).
• Удержать жидкость в перевернутом стакане.
• Увидеть воздух.
• Сфотографировать воздух.
• Воздушные потоки в комнате: как их обнаружить?
• Простейшие ветродвигатели.
• Создать "безвоздушное" пространство.

Группа создала сводный лабораторный журнал, в котором представлена творческая продукция участников: собственные объяснения опытов, фотографии, сказки, описание собственных опытов и приборов, решения задач, предложенных ведущими, собственные задачи участников.

Приложение 2.

Пример разбора задач по алгоритму (3-ходовке), 5 класс, естествознание

Задача: Говорят, что раньше йог мог…

Как бы Вы объяснили способность некоторых людей ходить по раскаленным углям?

1. Как сделать, чтобы можно было прикоснуться к очень горячему предмету?
   Мы знаем ответ на этот вопрос… Так мы пробуем, разогрелся ли утюг, касаясь его влажным пальцем. Влага испаряется и прослойка пара на короткое время защищает палец от ожога.
2. Как могла бы нога при касании горячих углей стать влажной сама собой? Влага должна сама собой оказываться между горячими углями и ногами.
3. Есть ли в нашем распоряжении запасы влаги, которые можно было бы использовать для увлажнения ног? В организме запасы влаги - есть. Например, обычный пот. Видимо, пот на ногах и позволяет ходить по раскаленным углям. Когда нога недолго соприкасается с углем, влага, покрывающая кожу, испаряется и прослойка пара защищает ногу.

Приложение 3.

Разбор задачи по 7-ходовому алгоритму (10 класс, физика).

шаг алгоритма	исполнение
0. Подготовка к работе. Выберите задачу, решение которой Вам неизвестно. Запишите ее условие. Если, прочтя условие, вы поняли, что знаете решение (или сразу догадались до его сути), подумайте, единственно ли оно? Откуда Вы знаете, что оно верно? Как можно было бы проверить его правильность? Нет ли лучшего решения?	0. В Феодосии во время археологических поисков была обнаружена развитая водопроводная сеть. Озадачивало то, что трубы, по которым вода подавалась в город, шли с куч щебня, набросанных на самых возвышенных местах. Никаких емкостей для воды на кучах не было. Как действовал водопровод? Если население города увеличится, то как увеличить производительность водопровода? Не можете ли вы приближенно рассчитать эту производительность?
1. Системность. Что входит в исследуемую систему? Из каких элементов она состоит? Что в ней происходит (или должно происходить)? Что именно нужно объяснить?	1. Исследуемая система состоит из камешков, образующих кучу, и труб. Внутри куч собирается вода и течет в город. Нужно объяснить, как внутри куч появляется вода.
2. Прием обращения. Вместо вопросов “Как?”, “Почему?”, “Возможно ли?” задается вопрос “Как сделать, чтобы?..”	2. Как сделать, чтобы в кучах появилась вода?
3. Идеальный конечный результат. Как сделать, чтобы интересующее нас явление произошло само собой, без постороннего вмешательства?	3. Как сделать, чтобы вода появилась в кучах сама собой, без постороннего вмешательства?
4. Перечисление ресурсов. Какими ресурсами располагает система? Где в ней или вблизи нее могут находиться интересующие нас вещества?	4. Какими ресурсами располагает система? Где в ней или вблизи нее может находиться вода? Вода может находиться в почве под кучами, в море, в источниках на местности, в воздухе.
5. Перечисление процессов (явлений, взаимодействий). Какие процессы (явления, взаимодействия) могут происходить в системе? Какие из них могут способствовать интересующему нас явлению? Проверьте процессы механические, акустические, тепловые, химические, электрические, магнитные, оптические, ядерные.	5. Какие процессы могут происходить с камнями, почвой, водой и воздухом? Какие из них могут способствовать появлению воды в кучах? Камни, почва и воздух могут нагреваться и охлаждаться. Вода, кроме того, может испаряться, конденсироваться и всасываться в поры камней и в щели между камнями. Вода может течь в кучу с более высокого места.
6. Формулировка гипотез. Какие предположения (предложения, гипотезы) можно выдвинуть, отвечая на вопрос задачи, приняв во внимание все предыдущее?	6. Какие гипотезы можно выдвинуть, отвечая на вопрос “Откуда в кучах взялась вода?” 1. Капиллярное всасывание из почвы. 2. Перетекание из источника, расположенного выше. 3. Конденсация пара из влажного воздуха.
7а. Проверка правдоподобности. Насколько правдоподобна каждая из выдвинутых гипотез?	7а: Гипотеза 1: Вода, всосавшаяся из почвы, будет удерживаться внутри капилляров. Подача воды в трубы и в город “без постороннего вмешательства” маловероятна, к тому же на самых возвышенных местах вблизи Феодосии почва очень сухая. Гипотеза 2: Если есть высоко расположенный источник, то от него и надо было вести трубы в город. Тогда сооружение куч было бы излишним. Поскольку кучи пришлось набросать, существование источника маловероятно. Гипотеза 3: Конденсация возможна в виде дождя и росы. Дожди в Феодосии редкость (летом); роса возможна при большой влажности воздуха и резких перепадах температур. Похоже, гипотеза 3 самая правдоподобная, учитывая близость моря.
7б. Проверка гипотез. Как можно было бы проверить каждую гипотезу?	7б: Гипотеза 1: Можно проверить, насколько влажная почва в районе куч, положив на нее тряпку, вату или несколько камешков из кучи. Если гипотеза верна, то тряпка, вата и камешки станут влажными. Гипотеза 2: Нужно обследовать местность в поисках возвышенного (по сравнению с кучами) источника. Гипотеза 3: Посмотреть, в какое время суток появляется вода в кучах? Если гипотеза верна, вода будет появляться рано утром, когда камни имеют самую низкую температуру.

В результате проверки выяснилось, как именно работает водопровод: за ночь камни остывали, а утром влажный ветер оставлял на них росу, которая постепенно собиралась в трубах. Остается сомнение: достаточно ли росы, чтобы обеспечить водой город? Здесь может пригодиться грубая оценка.

Пусть площадь куч щебня 1 км², их высота - 10 м. Тогда объём куч - 107 м³, приблизительно треть этого объёма - V = 3∙10⁶ м³ - занимает воздух (водяной пар занимает такой же объем). Примем температуру камней t₂ = 15^oС температуру ветра t₁= 30^оС, относительную влажность воздуха около 0,7.

Масса сконденсировавшейся воды

m = (rH1 - rH2)V = (jrH1 - rH2)V,

где j - относительная влажность воздуха, r - плотность водяного пара в воздухе, rн - плотность насыщенного пара при данной температуре. При rн1 = 30,3 г/м³ (при 30^оС), rн2 = 12,8 г/м³, j = 0,7, V = 3∙10⁶ м³ получим m = 25 000 кг. Этого для древней Феодосии должно было хватить - в древности город считался крупным, если в нем было несколько тысяч жителей.

07 Dec 2003