Підготовка учнів до конкурсів-захистів науково-дослідницьких робіт засобами фізики як приклад роботи з обдарованними дітьми

Міністерство освіти і науки України

Управління освіти Ірпінської міської ради

Науково-методичний центр

Ірпінське навчально-виховне об'єднання «Освіта»

 

 

 

 

                                                    Степова Н. О.

 

Підготовка учнів до конкурсів-захистів

науково-дослідницьких робіт засобами фізики

як приклад роботи з обдарованними дітьми

 (методичний посібник)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

м. Ірпінь 2017 р.

 

 

 

 

 

 

 

 

Степова Н. О.     Підготовка учнів до конкурсів-захистів

                науково-дослідницьких робіт засобами фізики

            як приклад роботи з обдарованними дітьми

 

 Представлений матеріал є показом того, як за допомогою методичних рекомендацій науковців підходити до пошуку обдарованих дітей при викладанні фізики та розгортати програмний матеріал у екперементальне навчально-дослідницьке завдання (ЕНДЗ) для створення учнівського проекту для захисту на конкурсі МАН. У даному методичному посібнику міститься результат такого захисту.Посібник може бути корисним для вчителів, які розпочинають підготовку учнів до дослідницької роботи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          Організація  роботи науково-проблемної групи (НПГ)

 

1. Пошук обдарованих учнів та класифікація занять з ними.

Знайомство з дітьми, що мають нахил до науково-дослідницької діяльності, вчитель фізики (або іншої дисципліни природничого циклу) починає з перших уроків. Перевірка здібностей учнів здійснюється за допомогою експериментальних навчально-дослідницьких завдань (далі – ЕНДЗ) як на різних етапах уроку, так і у позаурочний (позашкільний) час у процесі:

•                 вивчення нового матеріалу;
•                 організації та проведенні лабораторних і практичних робіт;
•                 закріплення, повторення або узагальнення вивченого матеріалу;
•                 виконання домашніх завдань;
•                 контролю знань, умінь та навичок учнів;
•                 проведення пошукових (наприклад: архіви та бібліотеки) робіт;
•                 проведення досліджень (дослідів);
•                 підготовки рефератів, доповідей, проектів та наукових робіт (МАН).

Учитель може сам розробляти ЕНДЗ та моделі і методику їх виконання, але для цього необхідно визначити основні типи завдань та здійснити їх систематизацію.

І. Лернер свого часу зазначив: “Вчитель конструює методичну систему проблемних задач, адаптує її до конкретної ситуації навчального процесу, пропонує її учням, тим самим керуючи їхньою навчальною діяльністю” [1]. Результати аналізу педагогічної літератури та наш власний досвід роботи засвідчують, що підґрунтям для класифікації ЕНДЗ можуть бути:

•                 характер змісту навчального матеріалу;
•                 характер вимог, що визначені завданням (на визначення, конструювання, доведення тощо) [2];
•                 логічна схема побудови ЕНДЗ (індуктивна, дедуктивна) [4,5,6];
•                 співвідношення мети завдання з результатами досліджень (наявністю нових, надлишкових або недостатніх даних);
•                 форма організації виконання (індивідуальна, групова, фронтальна) [2,6].

Виходячи з вищевикладеного, узагальненим об’єктом дослідження можуть бути ЕНДЗ такого типу:

1.           емпірично-індуктивні;
2.           аналітично-дискурсивні;
3.           аналітично-індуктивні.

Ю. Галатюк та В. Тищук пропонують узагальнену таблицю дидактичних можливостей ЕНДЗ і відповідну до неї класифікацію ЕНДЗ(табл.1.1) [2].

 

Таблиця 1.1 Узагальнена таблиця дидактичних можливостей ЕНДЗ.

Тип ЕНДЗ	Вивчення нового матеріалу	Домашні завдання	Лабораторні роботи	Фізичний практикум	Повторення, узагальнення знань, закріплення	Контроль знань
1а	+	+	+		+
1б	+	+			+	+
1в	+	+
2		+	+	+	+	+
3		+	+	+	+	+
4	+	+	+	+	+	+

Наведеним у таблиці номерам відповідають такі типи завдань:

1. ЕНДЗ на дослідження фізичного явища або процесу:

а) завдання емпірично-індуктивного типу;

б) завдання аналітично-дискурсивного типу;

в) завдання аналітично-інтуїтивного типу.

2. ЕНДЗ на дослідження фізичного закону або наслідку з нього.

3. ЕНДЗ на визначення й дослідження фізичної величини, параметра фізичного об’єкта.

Так, під час розгляду теми «Теплові явища» у 8 кл. частина матеріалу вивчається в класі на уроках, а історія розвитку поглядів на теплоту, вимірювання температури, види термометрів винесено на домашні завдання – дослідження реферативного типу. «Види теплопередачі» було запропоновано учням виконати як квазідослідження, додатково після уроків відбувся конкурс-захист учнівських проектних робіт. Чотири лабораторні роботи було виконано в класі: «Вимірювання температури за допомогою різних термометрів» –пошукова діяльність груп теоретиків та експериментаторів (дослідницьке завдання першого типу: ЕНДЗ-1), «Визначення питомої теплоємності речовини» (ЕНДЗ-3), «Порівняння кількості теплоти при змішуванні води різної температури» (ЕНДЗ-2), «Визначення ККД нагрівника» (ЕНДЗ-3).

На початку вивчення теми учні знайомляться з моделлю вивчення всієї теми; окремі учні за бажанням вибирають собі завдання для теоретичних досліджень з виступом перед класом або на уроці, або на окремому занятті-захисті проектних робіт. Решта учнів розбиваються на групи по 2-3 учні і готуються заздалегідь під керівництвом вчителя до своєї експериментально-дослідницької роботи, лабораторні роботи в класі виконуються всіма учнями за планом, розробленим учнями згідно підручника. В процесі підготовки вони можуть висловити власні пропозиції щодо виконання лабораторних робіт, які розглядаються або безпосередньо в класі, або на додаткових заняттях. Після цього виділяється група дослідників, які утворюють науково-проблемну групу (НПГ), з якими проводиться робота за окремим планом:

1. проведення спостережень та дослідів за фізичними процесами і явищами;

2. фіксація певних фактів, які є характерними для них;

3. методи обробки даних: порівняння,аналіз,синтез;

4. методи дослідження: дискурсивні, дедуктивні, індуктивні;

5. типи ЕНДЗ та методи роботи з ними.

2. Розгортання учнівської задачі в ЕНДЗ

Розв'язування проблеми дискурсивним шляхом можна показати на прикладі розгортання шкільної задачі в експериментальне завдання [8,9, 10]. Традиційна лабораторна робота має детальну інструкцію і жорстку регламентацію навчальної діяльності, що зумовлює її репродуктивний характер і нівелює процес дослідження. Натомість виконання ЕНДЗ потребує реалізації дій більш творчого характеру. У цьому випадку вимагається знання методичних кроків виконання завданнь, розробка стратегії дослідження та структурно-логічної схеми виконання завдання, які передбачали б проходження певної послідовності дій. Зразок такого завдання, розробленого  Л. Грищуком, О. Хоренком, на основі задачі з підручника С. Гончаренка наведено нижче [8,9,10].

Тема: Визначення розмірів молекул олеїнової кислоти. (Входження в шкалу нанорозмірностей)

Обладнання: 0,15%-й розчин олеїнової кислоти в спирті, піпетка, кювета, терези з гирями, невеликий стакан, тальк, посудина з дистильованою водою.

Вказівки: Цей метод оцінки розмірів ґрунтується на властивості деяких речовин утворювати на поверхні води плівки товщиною в одну молекулу. Вимірявши товщину такої плівки, можна прийняти її рівною діаметру молекули.

Якщо на поверхню води капнути невелику кількість розчину олеїнової кислоти в спирті, то спирт розчиниться у воді та частково випарується, а олеїнова кислота утворить на поверхні води мономолекулярну плівку.

Для спостереження за плівкою та вимірювання її площі, поверхню води спочатку посипають тальком. Олеїнова кислота зменшує поверхневий натяг води, тому частки речовини, що плавають, переміщаються від місця падіння до кінців плівки, що приводить до утворення «вікна».

Вимірявши масу краплі розчину m₁, площу поверхні «вікна» S і знаючи концентрацію олеїнової кислоти n = 0,15%, а також її густину ρ = 895 кг/м, можна визначити розмір молекул.

Виконання роботи:

1. Визначити зважуванням у стакані масу 20 крапель розчину олеїнової кислоти і знайти масу однієї краплі розчину. Маса m досліджуваної частини олеїнової кислоти за концентрації n% дорівнює m = , де М – молярна маса (хімічна формула олеїнової кислоти С₁₈Н₃₄О₂), l – довжина молекули l, вважаючи її рівною товщині мономолекулярного шару.

2. Посипати поверхню води шаром тальку і крапнути в центр кювети з висоти 1-2 мм одну краплю розчину. Виміряти лінійкою діаметр «вікна» d у двох взаємоперпендикулярних напрямах та визначити середній діаметр «вікна»

3. Визначити довжину молекули l, вважаючи її рівною товщині мономолекулярного шару: l = , де V – об'єм краплі (м³), S = – площа поверхні шару (м²). Оскільки V=, l=.

4. Оцінити поперечний переріз і діаметр d молекули олеїнової кислоти.

Площу перерізу молекули можна знайти за формулою: S_m=, де N – це кількість молекул олеїнової кислоти у краплі розчину.

Число (кількість) молекул N олеїнової кислоти у краплі розчину визначається за формулою: N = , де; m – маса молекули, кг; N_A – число Авогадро. Тоді площа S_m перерізу молекули олеїнової кислоти дорівнює: .

Якщо прийняти переріз молекули за коло, то діаметр d поперечного перерізу можна знайти за формулою: d =

3. Особливості обробки результатів малого числа вимірювань

У представленій лабораторній роботі (ЕНДЗ) у процесі вимірювання діаметра d молекули після 5 вимірювань одержуємо відповідь: d ≈м. Важливим елементом експериментальної роботи є обчислення похибок вимірювання. При малому числі вимірювань (n <10) це робиться за допомогою так званого коефіцієнта Стьюдента [10].

Тоді довірча межа Δ_гр (абсолютна похибка вимірювань) визначається наступним чином:

Δ_гр = t_p,nσ_d.,

де t_p,n – коефіцієнт Стьюдента, σ_d – середня квадратична похибка відносно середнього квадратичного значення вимірюваної величини, що може бути обчислена за формулою

σ_d = = , де х – вимірювана величина, – середнє значення вимірюваної величини.

Тому Δ_гр = t_p,n = t_p,n,

Коефіцієнт Стьюдента t_p,n визначається через задану довірчу ймовірність Р і число вимірювань п. Існують таблиці для його визначення (табл.1.2)

Таблиця 1.2. Значення коефіцієнтів Стьюдента

п	Довірча ймовірність Р
1	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	0,95	0,99	0,999
2	1,00	1,38	2,0	3,1	6,3	12,7	65,7	636,6
3	0,82	1,06	1,3	1,9	2,9	4,3	9,9	31,6
4	0,77	0,98	1,3	1,6	2,4	3,2	5,8	12,9
5	0,74	0,94	1,2	1,5	2,1	2,8	4,6	8,7
6	0,73	0,92	1,2	1,5	2,0	2,6	4,0	6,9
7	0,72	0,90	1,1	1,4	1,9	2,4	3,7	6,0
8	0,71	0,90	1,1	1,4	1,9	2,4	3,5	5,4
9	0,71	0,90	1,1	1,4	1,9	2,3	3,4	5,0
10	0,70	0,88	1.1	1,4	1,8	2,3	3,3	4,8

Для розрахунку Δ_гр в таблиці 2 треба відшукати коефіцієнт Стьюдента t_p,n при заданому значенні Р і за відомим числом вимірювань п, а також визначити і абсолютні похибки окремих вимірювань Δ_і. Значення Р задається вимогами до точності вимірювань і воно вказується при запису результату: х = ± Δ_гр.

 

Таблиця 1.3. Результати вимірювання діаметру d молекули олеїнової кислоти

п	d, 10-9м	, 10-9м	Δі, 10-9м	, (10-9м)2
1	3,02	3,01	+0,01	0,0001
2	3,03		+0,02	0,0004
3	3.04		+0,03	0,0009
4	2,98		-0,03	0,0009
5	2,99		-0,02	0,0004

Знаходимо середнє арифметичне як наближення до істинного значення діаметра молекули:

м.

Абсолютні похибки середніх значень окремих вимірювань складають:

==0.002 ≈ 0.

Якщо їх сума з урахуванням знаків є близькою до 0, отже промахів немає. Знаходимо середню квадратичну похибку відносно середнього арифметичного:

м.

Нехай Р = 0,99, тобто задано, що з імовірністю 99% похибка не перевищує довірчу межу Δ_гр. За таблицею знаходимо коефіцієнт Стьюдента: t_p,n = 4,6.

Похибкою вимірювання є довірча межа (межа певності):

Δ_гр = t_p,n· = 4,6·0,0036·10^-9 = 0,017·10^-9 м.

Результат вимірювання записуємо таким чином:

d=(3,01±0,017) ^10-9 м (при Р = 0,99).

Висновок. ^10-9 м – це і є 1 нанометр,отже ми ввійшли в шкалу нанорозмірів.Властивості речовини відрізняються в залежності від розмірів: на поверхні плівки олеїнової кислоти або бензину розлитої на воді можна спостерігати райдужну інтерферентційну картину, чого не спостерігається у товщі півлітровлої пляшки цієї рідини.

4. Розгортання учнівської задачі в дослідницьку роботу для МАН.

Ідучи аналогічним шляхом, ми розробили модель ЕНДЗ «Електроліз та його застосування». Для розробки експериментальної частини завдання використали зміст задачі зі збірника задач А. Римкевича, № 844 [7] та поради науковців  щодо виконання експериментальної частини. Наслідками співпраці науковців, вчителів та учнів стала розробка ЕНДЗ, методики його виконання та проведення серії лабораторних робіт згідно теми досліджень – «Електроліз та його застосування». Результати досліджень стали основою наукової учнівської роботи для конкурсу МАН

Тема: Електроліз та його застосування

Актуальність: Широке використання процесу у сучастих технологіях: від одержання «чистих» матеріалів, дорогоцінних металів високої проби, виготовлення об’ємних форм до покращання якості поверхні виробів.

Новизна: Можливість застосування одержаних результатів у атомній техниці (наприклад, для виготовлення регулюючих стержнів ядерних реакторів).

Об’єкт досліджень: Процес електролізу та його фізико-хімічні закономірності.

Історія відкриття: Під час археологічних розкопок пам’яток стародавньої Месопотамії (ІV-І тис. до н.е.) були знайдені керамічні горщики з металевими пластинами всередині – прообраз сучасних хімічних (гальванічних) джерел електричного струму. На довгий час цей винахід, як і багато інших, був забутий. І лише створення А. Вольтом батареї гальванічних елементів (1799 р.) дало поштовх до відкриття процесу електролізу: у 1800 р. У. Нікольсон і Е. Карлейль встановили, що під час проходження постійного струму у воді чи водних розчинах вода розкладається на водень і кисень. Результати пізніших досліджень, завершених М. Фарадеєм у 1833 р., були сформульовані ним у вигляді законів.

Закони: М. Фарадей (1791-1867 рр.) визначив умови, від яких залежить маса речовини, що виділяється на електродах.

Мета: дослідження умов найбільш ефективного виділення речовини за законами Фарадея.

Експериментальні підходи:

Завдання 1 – визначення оптимальної температури для виконання процесу електролізу;

Завдання 2 – визначення, яка з двох солей кадмію (CaSO₄ або Ca(NO₃)₂ ) за однакових умов дає найбільший вихід маси чистого Са;

Завдання 3 – визначення залежності маси виділеного Са від концентрації розчину.

Обладнання: шкільне лабораторне обладнання для виконання робіт з елекролізу.

Попередньо вивчений матеріал згідно шкільної програми: окремі розділи неорганічної хімії (хімічний зв’язок та будова молекул), молекулярнної фізики, електрики.

Техніка безпеки: техніка безпеки під час роботи у шкільній лабораторії.

У таблиці порівнюється маса виділення Cd при електролізі солей CdSO₄ i Cd(NO₃)₂.

Сіль	Cd(NO3)2		CdSО4
Склад електроліту	Cd(NO3)2*4H2O 40г солі 60г води		50 г/л CdSo4, 5 крапель H2SO4
Наявність органічних добавок для покращення якості покриття	+	-	+	-
Умови експеременту	J = 0,2 A/см2 S = 8,325см2 Mдо = 20,8г T = 40хв	J = 0,2 A/см2 S = 8,325см2 Mдо = 20,8г T = 40хв	J = 0,2 A/см2 S = 8,325см2 Mдо = 20,8г T = 40хв	J = 0,2 A/см2 S = 8,325см2 Mдо = 20,8г T = 40хв
Маса після реакції	21,12г	21,02г	21,15г	21,135г

Висновки

В експериментальній частині  роботи  було проведено електроліз розчинів солей CdSO₄ i Cd(NO₃)₂. В результаті експеременту ми з’ясували, що більш раціональним є добування чистого кадмію з солі CdSО₄. Отже, в технічних масштабах більш доцільним є спосіб добування кадмію з даної солі за нормальної температури

     Одержані учнем результати дали можливість здобути II місце в обласному етапі конкурсу-захисту МАН у 2009 р.

     Свій погляд на проблему пропонують Білоус С.Ю. [3] та Шарко В. [11].

Література

1. Лернер И.Я. Дидактические основы методов обучения.-М.:Педагогика.-1981-181с.
2. Галатюк Ю, Гащук В. дослідницька робота учнів з фізики. –Х.:Вид.група « Основа» : « Тріада», 2007
3. Білоус С.Ю., Як розвинути в учня якості дослідника. Х: видавнича група «Основа», 2004р.
4. Андреев В.И, Эвристическое програмирование учебно-воспитательной деятельности.-М.:Высшая школа,1981.-240с.
5. Давыдов В.В. Виды обобщения в обучении.-М.:Педагогика,1972-423с.
6. Кулюткин Ю.Н. Эвристические методы в структуре решений.-М.:Педагогика.-1970.-230с.
7. А. Римкевич. Збірник задач з фізики.: Х,2002
8. Грищук Л.О.,Хоренко О.М. Експериментальні задачі з фізики .-Біла Церква:КОІПОПК.-2008-68с.
9. Гончаренко С.І. Фізика 10кл.-К.:.Освіта,-2002.-230с.
10.  Шут М., Сергієнко В., Науково-дослідна робота з фізики у середніх та вищих навчальних закладах. К., «Шкільний світ», 2004 рік.
11.  Шарко В.Д. Навчальна практика з фізики.-К.:СПД «Богданова»,2006.-224 с/