Стаття "Елементи STEM-освіти при вивченні фізики"

ЕЛЕМЕНТИ STEM-ОСВІТИ ПРИ ВИВЧЕННІ ФІЗИКИ

Прикладом можливостей здійснення STEM-навчання учнів під час вивчення шкільного курсу фізики є залучення їх до виконання навчальних проектів, які вважаються різновидом дослідницької діяльності школярів. Фізика 7-9 за новою програмою передбачає навчати учнів експериментувати, аналізувати результати експерименту та робити висновки з власного дослідження. Підручники «Фізика 7 клас», «Фізика 8 клас», «Фізика 9 клас» за редакцією В.Г.Бар’яхтара, С.О.Довгого, видавництво «Ранок»  пропонує учням ряд тем для експериментальних досліджень в кінці кожного розділу.  Пропоную учням вибирати одну із тем та проводити власне дослідження. Складаємо разом з учнями алгоритми досліджень. Раджу, як правильно робити такі дослідження, навчаю аналізувати результати власних досліджень.

Проведення самостійних досліджень стимулює розумовий процес, спрямований на пошук вирішення проблеми, вимагає залучення до цього знань із різних областей науки. Під час роботи над дослідженням кожна дитина має можливість реалізувати себе, застосувати власні знання та життєвий досвід, продемонструвати іншим учням свою компетентність у певному питанні, відчути успіх. А завдання вчителя полягає в тому, щоб виявити обдарованих учнів та спланувати роботу з ними таким чином, щоб школярі могли проявити себе в тому чи іншому напрямі творчої діяльності.

В основі STEM-навчання закладено практичне застосування отриманих знань на уроках природничо-математичних дисциплін. Дитина не просто знайомиться з новими напрямками розвитку точних наук та інженерії, а вчиться реалізовувати вивчене на практиці. Прикладом можливостей здійснення STEM-навчання під час вивчення шкільного курсу фізики є залучення їх до виконання проектних досліджень

Пропоную познайомитися із дослідженнями моїх учнів.

Дослідження 1. При вивченні у 7 класі механічного руху і середньої швидкості рухомих тіл учні легко називають числові значення швидкості автомобілів їхніх батьків, бо в салоні автомобіля є спідометр і практично всі знають, що він показує швидкість у км/год. Перед учнями ставлю проблемне питання: «Як визначити середню швидкість вашого руху з дому до школи?» Далі з учнями обговорюємо алгоритм такого дослідження і задаю домашнє завдання з визначення власної швидкості у км/год і м/с.

Тема: Визначення середньої швидкості руху людини

Мета роботи: навчитися розраховувати середню швидкість, яку розвиває людина під час ходьби.

Прилади та матеріали: рулетка, годинник із секундною стрілкою.

Хід роботи

1. Роблю 10 кроків у приміщенні. Число кроків - n.

2. Вимірюю за допомогою рулетки довжину свого шляху в 10 кроків. Довжина шляху - L. 

L = 6м 32 см

3. За кількістю кроків і виміряним  шляхом розраховую довжину свого кроку за формулою    L₁ = L / n             

L₁ = 632 см /10 = 63,2 см = 0,632 м

4. Обираю маршрут свого руху – із школи додому.

5. Розраховую кількість кроків, які роблю, щоб подолати цей шлях. Число кроків - N.

N = 1020 кроків

6. Вимірюю час свого руху по цій траєкторії. Час руху t вимірюю за допомогою годинника і записую у секундах.

t = 8хв 15с = 495с

7. Знаючи довжину свого кроку, число кроків на пройденому шляху, визначаю довжину шляху за формулою S = L₁ ∙ N

S= 63,2см ∙ 1020 = 64464 см = 644,64 м

8. Розраховую середню швидкість, яку я розвивав при ходьбі за формулою

V = S/t, м/с

V = 644,64/495 = 1,3 м/с

9. Результати вимірювань і обчислень заношу в таблицю

число кроків, n	довжина шляху, L, м	довжина кроку, L1= L / n, м	число кроків, N	довжина шляху, S =  L1∙N, м	час руху, t , с	середня швидкість, V = S / t, м / с
10	6, 32	0,632	1020	644,64	495	1,3

 

Отриманий результат записую у км/год :

S=  644,64 м/1000 = 0,645 км

t = 495 сек/3600 = 0,14 год

V = S/t = 0,645/0,14 = 4,6 км/год

Висновки: за допомогою цієї роботи я навчився визначати середню швидкість руху, використовуючи секундомір, рулетку, розрахував середню швидкість руху від дому до школи у м/с та у км/год. Знаючи власну швидкість руху, я тепер можу розрахувати скільки часу мені потрібно для подолання конкретної відстані або визначити відстань до музичної школи, до магазину, до стадіону, знаючи час свого руху до цих об’єктів.

Дослідження 2. Вивчення фізики у 7 класі розпочинається з вимірювання фізичних величин, зокрема довжини. Найчастіше з цією метою використовуємо лінійку, мірну стрічку. Вимірюємо розміри класної кімнати, довжину і ширину учнівської парти, розміри підручника, зошита, блокнота та інших предметів. Проблемне питання: «Як виміряти товщину нитки? Як виміряти діаметр дротини, з якої хочеш виготовити пружинку-іграшку? Як виміряти діаметр пшонини?» Ціна поділки лінійки в цих випадках більша за розмір вимірюваного предмета. Знайомлю учнів із методом рядів та разом з ними розробляємо алгоритм таких досліджень.

Тема: Вимірювання розмірів малих тіл.

Мета: визначити методом рядів розмір одного об'єкта (зернятка), кількох об'єктів; визначити похибку.

Обладнання: лінійка, колоски пшениці

ЕТАП І. Визначення об'єкту досліджень.

Об'єктом досліджень обрано зернятка пшениці, що були отримані з колосків (рис. 1)

 

Рис.1 Колоски пшениці

ЕТАП ІІ. Проведення досліджень.

Для роботи обираю звичайну учнівську лінійку. Ціна поділки шкали лінійки - 1 мм. Отже, можна вважати, що абсолютна похибка результату вимірювання становить 1 мм.

( ∆L =1 мм).

Довжина L₁ зернятка, виміряна лінійкою, дорівнює 10 мм ( L₁ = 10 мм) (рис. 2)

 

Рис. 2 Вимірювання зернини пшениці

 

Результат вимірювання: L₁=(10 ±1) мм

Відносна похибка становитиме: ε=1мм/10мм=0,1. У відсотках: 0,1∙100%=10%

Наступні вимірювання проводжу аналогічно.

Вимірюю 5 зернин. Загальна довжина складає 54 мм (рис.3)

 

Рис. 3 Вимірювання 5 зернин

L₂ = 54/5=10,8 мм L₂ =(10,8 ±1) мм

Відносна похибка становитиме: ε=1мм/54мм=0,02. У відсотках: 0,02∙100%=2%

Вимірюю 15 зернин. Загальна довжина складає 160 мм (рис.4)

 

Рис. 4 Вимірювання 15 зернин

 

L₃ = 160/15=10,7 мм _;L₃ =(10,7 ±1) мм

Відносна похибка становитиме: ε=1мм/160мм=0,006. У відсотках: 0,006∙100%=0,6%

Вимірюю 30 зернин. Загальна довжина складає 410 мм.

L₄ = 410/30=13,7 мм;  L₄ =(13,7 ±1)мм

Відносна похибка становитиме: ε=1мм/410мм=0,002. У відсотках: 0,002∙100%=0,2%

ЕТАП ІІІ. Висновки. Скориставшись методом рядів визначив розмір зернятка пшениці. Після проведення власних досліджень переконався, що чим більше беру об'єктів (зерняток) для дослідження, тим менша похибка, а значить  точніше здійснено вимірювання розмірів зернятка.

Коли майструватиму з дідусем у гаражі, при потребі, без проблем методом ряду знайду діаметр будь-якої дротини, намотавши її на довільний стержень, порахувавши кількість витків і вимірявши довжину намотаного ряду.

Дослідження 3. У 8 класі детально на уроках фізики вивчаються фізичні властивості води та фізичні величини, що її характеризують: питома теплоємність, питома теплота пароутворення, температура кипіння, температура кристалізації. Вода – найпоширеніша речовина, яку використовує людина у своєму житті. Коли дітям задаю запитання: «Якою водою якісніше вимиєте руки: теплою чи холодною, з милом чи без нього?». Відповідь завжди звучить правильна. І тоді я ставлю проблемне питання: «А як пояснити, чому теплою водою та ще із милом можна набагато якісніше вимити руки?». Пропоную учням дослідити таку фізичну величину як поверхневий натяг води.

Тема: Залежність поверхневого натягу води від роду домішки («Корок-ласун»)

 

Мета: з'ясувати залежність поверхневого натягу води від роду домішки.

Обладнання: глибока посудина, вода, корок, терка, шматочок мила, шматочок цукру.

Хід роботи

Дрібно натираю корок на терці. Наповнюю посудину водою і насипаю натертий корок на поверхню води (рис. 1).

Рис. 1. Натертий корок на поверхні води

 

Шматочком мила торкаюся середини поверхні води. Частинки корка «розбігаються» від мила, перемістившись до країв посудини (рис. 2).

Рис. 2. Часточки корку відмежовуються від мила

Замінюю воду в посудині, знову насипаю на поверхню води натертий корок і торкаюся середини поверхні води шматочком цукру. Частинки корка «побігли» до цукру (рис. 3).

Рис. 3. Часточки корку на шматочку цукру

 

Висновки. Поверхневий натяг залежить від домішок, наявних в рідині. Наявність у воді найменшої кількості поверхнево-активних речовин зменшує її коефіцієнт поверхневого натягу. Найвідомішими поверхнево-активними речовинами для води є мило і пральні порошки. Вони сильно знижують її поверхневий натяг. Це полегшує миття і прання білизни, оскільки високий поверхневий натяг чистої води не дає їй проникати між волокнами тканини і в дрібні пори. З молекулярної точки зору вплив поверхнево-активних речовин пояснюється тим, що сили притягання між молекулами самої рідини більші за сили притягання між молекулами рідини і домішок. Тому молекули рідини, розміщені у поверхневому шарі, з більшою силою втягуються всередину рідини, ніж молекули домішок. Внаслідок цього молекули води переходять в глиб її, а молекули поверхнево-активної речовини витісняються на поверхню. Саме тому часточки корку «розбігаються» від мила.

Інші речовини (наприклад, цукор), навпаки, збільшують коефіцієнт поверхневого натягу. Це пояснюється тим, що їх молекули взаємодіють з молекулами рідини сильніше, ніж молекули рідини між собою. І часточки корку налипають на шматочок цукру.

Отже, досліджувані рідини можна розмістити в порядку зростання поверхневого натягу таким чином: мильний розчин води, чиста вода, цукровий водяний сироп.

Дослідження 4. Освітлення – одна з найбільш знайомих нам форм використання електричної енергії. Величезна кількість електроенергії, що виробляється електростанціями, іде на освітлення нашого житла, будинків, промислових підприємств, вулиць міст і сіл.

Забута, не вимкнена своєчасно електрична лампочка не дрібниця. Якщо лампа в 50 Вт горітиме одну зайву секунду, вона витратить марно 50 Вт·с енергії. Цієї енергії вистачить для того, щоб підняти гирю масою 5 кг на висоту одного метра. Якщо ж ця лампочка горітиме марно 1 годину, вона витрачає 50Вт·год електроенергії. А такої кількості енергії вже достатньо для того, щоб підняти на висоту 1 метр вантаж масою 18 тонн. Саме тому перед учнями 8 класу ставлю проблемне завдання: «Дослідити використання електричної енергії вдома і виробити шляхи її економії».

Тема: Економимо кошти

Мета: з’ясувати кількість та типи ламп обраного приміщення; обчислити кількість і вартість електроенергії, що споживають лампи.

Хід роботи

1.               Порахував кількість електричних ламп квартири, в якій живу. Визначаю, які це лампи (розжарення, люмінесцентні, енергозберігаючі), яка потужність кожної, та час роботи за добу.

- кухня: 3 енергозберігаючі потужністю 9 Вт кожна;

- коридор: 2 розжарювання потужністю 60 Вт кожна;

- велика кімната: 4 енергозберігаючі потужністю 9 Вт, 2 розжарювання потужністю 60 Вт;

- дитяча кімната: 1 енергозберігаюча потужністю 9 Вт, 2 розжарювання потужністю 60 Вт,  1 люмінесцентна потужністю 18 Вт;

-санвузол: 2 розжарювання потужністю 60 Вт, 1 енергозберігаюча потужністю 9 Вт;

-спальня: 3 розжарювання потужністю 60 Вт, 2 енергозберігаючі потужністю 9 Вт.

Складаю таблицю вимірювань і обчислень:

Вид лампи	Номінальна потужність	Час світіння на добу	Кількість спожитої за добу електроенергії	Вартість спожитої електроенергії
Розжарювання	11×60Вт=660 Вт	6 годин	3960 Вт×год	5,11 грн
Енергозберігаюча	11×9Вт=99 Вт	6 годин	594 Вт×год	0,77 грн
Люмінесцентна	1×18Вт=18 Вт	4 години	72 Вт×год	0.09 грн

 

2. За добу всі лампи нашої квартири споживають 4626 Вт×год електроенергії.

3. Обчислюю, скільки коштів можна зекономити, якщо замінити всі лампи на енергозберігаючі.

При заміні 11 ламп розжарювання на енергозберігаючі, можна зекономити 3366 Вт×год електроенергії за добу. В грошовому еквіваленті це складатиме 4,34 грн. За місяць можна було б зберегти коштів: 4,34 грн × 30 днів =130,2 грн.

Висновки: джерелом світла в лампі розжарювання є нитка розжарення, яка крім світла також випромінює і достатню кількість тепла, чим і обумовлене високе енергоспоживання такої лампи.

Джерелом світла в енергозберігаючих лампах є тліючий газовий розряд і стінки лампи, на які нанесено спеціальну люмінофорну речовину. При цьому енергія на нагрівання елементів лампи майже не витрачається, що позитивно позначається на енергозбереженні. Так, за місяць в нашій квартирі можна зекономити більш, ніж 130 грн (за умови заміни всіх ламп розжарювання на енергозберігаючі).

На сімейній раді розробили кілька способів заощадження електроенергії в побуті:

•                   вимикання світла в тому разі і в тих місцях, де воно не потрібне, без погіршення життєвого комфорту;
•                   заміна, де можливо, звичайних ламп розжарювання енергозберігаючими, які забезпечують таку ж кількість світла, споживаючи при цьому на 70-80% енергії менше, і горять у 5-6 разів довше за звичайні;
•                   за умови придбання електропобутових приладів передусім необхідно цікавитися не лише ціною, але й енергозберігаючими параметрами, і лише після зіставлення ціни з експлуатаційними витратами слід приймати рішення про можливість придбання потрібного електропобутового товару.

Дослідження 5. Життя на Землі виникло та розвивається в умовах безперервної дії радіації. Усі люди на Землі зазнають впливу радіації, адже в будь-якій місцевості завжди є певний радіаційний фон. Радіаційний фон складається з кількох компонентів: космічне випромінювання, випромінювання природних радіонуклідів, які містяться в земній корі, повітрі та інших об’єктах зовнішнього середовища; випромінювання штучних радіоактивних ізотопів. У результаті діяльності людини радіаційний фон Землі значно змінився – відбулося техногенне підвищення радіаційного фону. Сучасні радіобіологічні дослідження показують, що за тих доз, які відповідають радіаційному фону 1-2 мЗв на рік, дія радіації є безпечною для людини. Потужність еквівалентної дози радіаційного опромінення  до 0,23 мкЗв/год безпечна для життя. Ставлю проблемне питання для учнів: «Як ви гадаєте, чому в Каневі більше як три роки тому були зняті пільги для населення, що проживає на території, забрудненій внаслідок Чорнобильської катастрофи?»

Тема: Радіологічний аналіз ділянок місцевості на шляху від школи додому

Мета: з’ясувати рівень радіаційного забруднення в місцях скупчення людей.

Хід роботи

1. Для визначення оперативної оцінки радіаційної обстановки  на місцевості я використовував дозиметр «Синтекс».

СИНТЕКС-ДБГБ-01С простий радянський побутовий "кишеньковий" дозиметр, призначений для вимірювання потужності еквівалентної дози зовнішнього гамма-випромінювання і якісної оцінки інтенсивності гамма-випромінювання за допомогою звукової сигналізації, результат вимірів відображається на цифровому індикаторі.  Дозиметр призначений для індивідуального використання з метою оперативної оцінки радіаційної обстановки в приміщенні або на місцевості. Також можуть використовуватися як в промислових (перевірка металобрухту, ягід і грибів, корисних копалин), так і в побутових цілях (перевірка продуктів харчування, речей, товарів, транспорту, приміщень). Покази приладу не тільки висвічуються на табло, але і супроводжуються звуковою сигналізацією, що зручно в похідних умовах, наприклад, грибникові. У лісі йому не потрібно буде кожен раз витягувати прилад з кишені - про небезпеку він попередить сам.

2. Визначення рівня радіаційного  забруднення на шляху від школи додому.

На подвір’ї школи показник радіаційного  забруднення становив 0,07  мкЗв/годину. Наступним пунктом перевірки була територія біля дитячого садочка «Теремок». Там рівень радіаційного  забруднення становив 0,1 мкЗв/годину.

 

Дещо вищим забруднення виявилось вздовж проїжджої частини – 0,12 мкЗв/годину.

І при вимірюванні біля під’їзду житлового будинку значення склало 0,08 мкЗв/годину.

Висновки:Результати вимірювань коливаються від 0,07 до 0,12 мк3в / год, що не перевищує нормальний радіаційний рівень. Таким чином, спостерігаю, що радіаційний фон не перевищено в жодній контрольній точці. Якщо б при перевірці радіаційного рівня були зафіксовані завищені показники, необхідно було б звернутися в МНС.

Очевидно, саме через те, що радіаційний фон у Каневі не виходить за допустимі межі, були зняті пільги для населення, що проживає на території, забрудненій внаслідок Чорнобильської катастрофи.

 

Використана література

1.               Новые педагогические и информационные технологии в системе образования\Под редЕ.С.Полат. – М.: Издательский центр «Академия», 2003.
2.               «Фізика 7 клас» за редакцією В.Г.Бар’яхтара, С.О.Довгого, Харків, видавництво «Ранок», 2015.
3.               Фізика, підручник для 8 класу загальноосвітніх навчальних закладів за редакцією В.Г.Бар’яхтара, С.О.Довгого,Харків, видавництво «Ранок», 2016.
4.               Фізика, підручник для 9 класу загальноосвітніх навчальних закладів за редакцією В.Г.Бар’яхтара, С.О.Довгого,Харків, видавництво «Ранок», 2017.
5.               Фізика в школах України, науково-методичний журнал №19-20, 2016, «Навчальні проекти. 8 клас», О.В.Антикуз, с. 8-23
6.               Фізика в школах України, науково-методичний журнал №21-22, 2016, «Організація проектної діяльності», О.П.Чмих, с. 30-1 - 30-6
7.               І.І. Задніпрянець «Технологічний аспект дослідницької та проектної діяльності в сучасній середній школі», Фізична газета, №9 2014.
8.               І.М.Волинець «Демонстраційний експеримент», Фізика в школах України, №15-16 2016.
9.               О.В.Антикуз «Навчальні проекти», Фізика в школах України, №19-20  2016.