Методи розв'язування фізичних задач за матеріалами ЗНО та олімпіадних задач підвищеної складності. Підготовка учнів до олімпіад з фізики.

Доповідь на засіданні методичного об’єднання вчителів фізики Буринської ОТГ

Методи розв'язування фізичних задач за матеріалами ЗНО та олімпіадних задач підвищеної складності. Підготовка учнів до олімпіад з фізики.

Підготував вчитель фізики Буринської спеціалізованої школи І – ІІІ ступенів №1 імені В. М. Кравченка

Буринь – 2020

Фізика була й залишається найфундаментальнішою природничою наукою. Викладання фізики має закласти основи наукового світогляду, сформувати зацікавленість щодо вивчення відомих наукових теорій та проведення власних, нехай невеликих, досліджень.

Сьогодні навряд чи хтось заперечуватиме, що основним результатом вивчення курсу фізики мають бути не завчені формули, означення чи закони, а вміння аналізувати реальні ситуації, знаходити шлях до відповіді на поставлені запитання.

Серед практичних методів навчання фізики важливе місце належить розв'язуванню задач. Уміння практично використовувати знання – це показник свідомості й міцності знань. Але навіть у випадку свідомого, неформального засвоєння навчального матеріалу, уміння застосовувати знання не приходить само по собі, для цього потрібно спеціально навчати. В навчанні практичного застосування знань розв'язок задач займає вагоме місце, як при підготовці учнів до ЗНО, так і при підготовці до учнівських олімпіад.

Розв'язування задач є невід'ємною складовою частиною навчального процесу, бо дозволяє формувати і збагачувати фізичні поняття, розвиває фізичне мислення учнів, їх навички застосування знань на практиці. У процесі розв'язування задач формуються працелюбність, допитливість розуму, самостійність у судженнях, виховується інтерес до навчання, загартовується воля і характер, розвивається вміння аналізувати явища, узагальнювати відомості про них тощо. Велика роль задач у здійсненні політехнічного принципу навчання. Розв'язування задач є способом перевірки і систематизації знань, дає можливість раціонально проводити повторення, розширювати і поглиблювати знання, сприяє формуванню світогляду, знайомить з досягненнями науки, техніки. В цілому це відповідає вимогам компетентнісного підходу у навчанні.

Що таке фізична задача?! Фізична задача – певна проблема, яка в загальному випадку розв'язується за допомогою логічних умовиводів, математичних дій та експерименту на основі законів і методів фізики. Фізична задача – певним чином підібрані вправи, головне призначення яких полягає у вивченні фізичних явищ, формуванні понять, розвитку фізичного мислення учнів та прищеплювання їм навичок застосовувати свої знання на практиці.

Що означає розв'язати фізичну задачу? Розв’язати фізичну задачу – це знайти таку послідовність загальних положень фізики (законів, означень, принципів тощо), при якій застосування до умов задачі або до їхніх наслідків (проміжних результатів розв’язку) дає те, що вимагається в задачі, тобто її розв’язок.

Розв'язування задач є складовою частиною майже кожного уроку. На комбінованих уроках їх використовують при реалізації кожної мети навчання учнів.

Для організації повторення підбирають комбіновані задачі. Вони є ефективним засобом контролю знань учнів.

Нині існує чимало способів класифікацій задач, що відрізняються один від одного за багатьма ознаками: за змістом, за способом подання умови, за дидактичною метою та ін. Класифікація задач за певними ознаками дозволяє раціонально здійснювати їх підбір та розробити методику їх розв'язування.

Особливу увагу доцільно приділяти узагальнюючому повторенню, яке відповідає структурним елементам програмового матеріалу. Метою цих занять є повторення та закріплення основних фундаментальних компетенцій, фізичних теорій та понять, підкреслення значення експериментального методу наукового пізнання, взаємопов’язаного впливу розвитку теоретичних досліджень та їх практичного втілення, що сприятиме формуванню наукового і критичного мислення.

Задачі, що входять до робіт ЗНО відрізняються одна від одної за багатьма ознаками: за змістом, за способом завдання, за дидактичною метою та ін. Класифікація задач за певними ознаками дозволяє раціонально здійснювати їх підбір та розробити методику їх розв'язування при підготовці учнів до ЗНО. Існують різні класифікації задач. Нижче наведена одна з можливих класифікацій.

Розглянуту класифікацію задач не можна вважати досить повною, оскільки одна й та ж задача може бути віднесена до різних груп, проте вона досить зручна в застосуванні. У цю класифікацію не ввійшли також якісні задачі.

У залежності від того, які логічні операції застосовуються при розв'язанні задач, розрізняють методи розв'язування ― аналітичний, синтетичний, та аналітико – синтетичний.

Аналітичний метод полягає у розчленуванні задачі на кілька простіших задач. Розв'язування починають з шуканої величини. У результаті аналізу відшукують закономірність, що зв'язує шукану величину з заданими. Якщо в закономірність входять крім шуканої величини інші невідомі, то шукають інші закономірності, що зв'язують їх з відомими в умові задачі. Розрахункова формула одержується як синтез окремих закономірностей.

При синтетичному методі послідовно виявляють зв'язки величин, які дані в умові, з іншими до тих пір, поки в рівняння не ввійде тільки одна шукана невідома величина. Отже, на відміну від аналітичного методу, де починають з шуканої величини, в синтетичному методі починають з величин, заданих в умові задачі. У чистому вигляді аналітичний і синтетичний, як окремі, методи майже не застосовуються.

При розв'язуванні задач використовують, як правило, і аналіз і синтез, тобто застосовують аналітико-синтетичний метод. У залежності від математичного апарату, що застосовується при розв'язуванні задач, виділяють такі способи розв'язування обчислювальних задач: арифметичний, алгебраїчний, геометричний.

При арифметичному способі задачу розв'язують за питаннями, тобто застосовують математичні дії або тотожні перетворення над фізичними величинами без складання рівнянь.

Алгебраїчний спосіб ґрунтується на використанні фізичних формул для складання рівнянь, з яких визначається шукана фізична величина.

Замість геометричного способу вживають термін геометричний прийом. Він полягає в застосуванні при розв'язуванні задач геометричних і тригонометричних властивостей фігур.

Розв'язування задач різних типів має свою специфіку, проте на практиці виробилась певна послідовність розв'язування задач багатьох типів:

1. Читання умови задачі та з'ясування змісту нових термінів і виразів, повторення умови задачі;

2. Короткий запис умови задачі, виконання необхідних малюнків, схем, графіків (усі фізичні величини мають бути виражені в одиницях СІ);

3. Аналіз умови задачі, в ході якого з'ясовуються її фізична суть, тобто з'ясовуються фізичні явища, процеси і стани системи та відновлюються в пам'яті учнів фізичні закони та формули, які потрібні для розв'язку задачі;

4. Складання плану розв'язку задачі;

5. Вираження зв'язків між шуканим і даними величинами у вигляді формул;

6. Розв'язування системи рівнянь для одержання кінцевої формули для розрахунку;

7. Обчислення шуканої величини;

8. Аналіз одержаних результатів;

9. Пошук і аналіз інших шляхів розв'язку задачі.

При розв'язуванні конкретних задач деякі етапи загальної схеми розв'язку задач можуть бути випущені. Останнім часом для розв'язування задач використовують алгоритмічні прийоми. Методика розв'язування якісних та експериментальних задач має свою специфіку, але серед завдань ЗНО такі не зустрічаються.

Однією з ефективних форм роботи з обдарованими учнями завжди були різного рівня олімпіади школярів. Предметні олімпіади (в тому числі і фізичні) як один з видів неформальної освіти є тією ланкою, яка надає можливість отримання гнучких, індивідуальних, творчих знань. Вони дозволяють виявити ще в шкільний період навчання найбільш обдарованих учнів, правильно і своєчасно зорієнтувати їх у виборі майбутньої професії, пропагують науково-технічні знання серед молоді.

Цілком очевидно, що не можна недооцінювати роль олімпіад з фізики. Особливо це очевидно в даний час, коли інтерес до фізики і як навчального предмету і як науки у молоді впав, та й увага до фізики в школі не зростає, а зменшується.

Для успішної участі в олімпіадних змаганнях, як відомо, потрібні знання та вміння, що не виходять за рамки шкільної програми. Як правило олімпіадні вимоги не пов'язані з необхідністю виконувати громіздкі обчислення. У той же час для вирішення олімпіадних завдань недостатньо вмінь застосовувати широко відомий алгоритм. Це треба добре розуміти. Олімпіадні завдання вимагають від учнів ясного розуміння основних законів фізики, справді творчого вміння застосовувати фізичні закони для пояснення фізичних явищ, розвиненого асоціативного мислення, та й достатньої кмітливості.

Однією з важливих проблем навчання фізики є систематизація методів розв’язання олімпіадних завдань з фізики. Методичні підходи до організації вирішення олімпіад них завдань різних рівнів досить сильно різняться. Дати загальну методику підготовки і забезпечення успішної участі у фізичних всеукраїнських олімпіада неможливо, бо кожна задача є шедевром, не піддається однозначній класифікації. Однак, існуючі методи підготовки до олімпіад залишаються в силі і для цього рівня.

Загальний підхід до вирішення довільної олімпіадної задачі з фізики заснований на деяких фундаментальних поняттях фізики. Одним з центральних понять є поняття фізичної системи.

Фізична система - це єдине ціле, що складається з сукупності фізичних об'єктів. Причому навіть один фізичний об'єкт може складати фізичну систему. Тому розв’язання будьякої фізичної задачі ми пов'язуємо з дослідженням певної фізичної системи, закладеної у змісті задачі. Фізичні об'єкти системи наділені деякими фізичними властивостями і їм властива причетність до різних фізичних процесів.

Для характеристики властивостей фізичних об'єктів та фізичних процесів вводяться різні фізичні величини. Фізичне явище характеризується зміною якихось фізичних величин. Ці величини пов'язані між собою. Тому аналіз умови олімпіадної задачі передбачає, насамперед з’ясувати стійкий зв'язок або залежність між деякими фізичними величинами, які відображаються у фізичному законі.               У вирішенні задач з фізики недостатньо знати відповідний закон (його фізичний зміст, умови застосовності тощо), необхідно ще вміти застосовувати його у конкретних умовах. Для кожного фізичного закону існує метод (алгоритм) його застосування.

У випадку вирішення складних чи нестандартних завдань часто застосовують методи спрощення й ускладнення. Його використовують вже на етапі аналізу розв’язання фізичної задачі. Тоді метод спрощення чи ускладнення дозволяє систематизувати будь-яке завдання в «блок» все більш складних або більш простих завдань. Складовими частинами методу спрощення й ускладнення є два взаємозалежних і протилежних процеси: процес спрощення (ідеалізація, оцінка і відкидання другорядних явищ, нехтування несуттєвими деталями і т. д.) і процес ускладнення (облік і розгляд раніше відкинутих об'єктів, явищ, деталей, ускладнення фізичної системи, зв'язків і т. д.).

Матеріальну основу цих процесів складає метод оцінки. Цей метод часто використовують, коли аналізують будь-яку фізичну ситуацію, виробляючи оцінку фізичних величин або оцінку фізичних явищ. На олімпіадах, як правило, пропонуються для вирішення оригінальні завдання, у вирішенні яких роль здогадки є головною, визначальною в порівнянні зі звичайними знаннями та методами.

Спираючись на метод теоретичних узагальнень доцільний відбір методики спеціального структурування навчального матеріалу для занять з олімпіадної підготовки. Такий підхід дозволяє забезпечити якісне, системне засвоєння способів вирішення завдань і сприяє підвищенню ефективності навчального процесу. Матеріал кожного заняття повинен відповідати дидактичному принципу «від простого до складного» і бути спрямованим на формування в учнів знань про методи вирішення певного типу фізичних задач. Крім цього потребує розробки сама методика підготовки обдарованої молоді до олімпіад них випробовувань.

В цьому випадку структура заняття може мати наступні етапи:

1. Розв’язання «ключових» завдань по темі. На цьому етапі формулюється алгоритм вирішення даного типу задач. Необхідно прагнути до того, щоб алгоритм був сформульований учнями самостійно. Слід розглянути всі можливі способи вирішення завдань. Зазначимо, що не для всіх олімпіадних завдань можна сформулювати алгоритм розв’язання. Особливо це стосується олімпіад більш високого рівня, тому що олімпіадні задачі - це завдання підвищеної складності, нестандартні за умовою і методами їх вирішення. Однак олімпіадна задача може складатися з системи більш простих алгоритмічних задач, навчити вирішувати які і є один з основних напрямків олімпіадної підготовки з фізики.
2.  Розв’язання олімпіадних завдань, в які «ключові» завдання входять як елементи.
3. Завдання для самостійного рішення.

 Отже, під час підготовки до олімпіади з фізики необхідно не тільки вчити учнів методів розв’язування задач та основним алгоритмам.  Учнів потрібно вчити вмінню керування своєю діяльністю, розподілом часу на розв’язання кожної задачі, вмінню розбивати процес розв’язання задачі на етапи, виділяти певні етапи та їх виконувати. До олімпіади учнів необхідно готувати теоретично, практично та психологічно. У процесі психологічної підготовки необхідно налаштувати учасника на бажання і вміння максимально реалізувати свої потенційні можливості (зауважте - не перемогти, а максимально реалізувати) в екстремальних умовах, які пред'являє олімпіада.

І взагалі, щоб навчитися розв’язувати олімпіадні завдання з фізики, треба розв’язувати завдання з фізики...