Учебный физический эксперимент в исследовательской деятельности школьников

В. В. Бондина, методист МКУ «ИМЦ»

Не существует сколько-нибудь достоверных тестов

на одаренность, кроме тех, которые проявляются в

результате активного участия хотя бы в самой маленькой

поисковой исследовательской работе.

А. Н. Колмогоров

В государственные стандарты образования включены требования формирования исследовательских умений учащихся.

Непрерывность формирования исследовательских умений заключается в систематическом и поэтапном включении учащихся в исследовательскую деятельность, начиная с начальной школы, развивая учебно-исследовательские умения в основной и старшей школе, организуя обучение на базе исследований в высшей школе.

Развитие исследовательских качеств учащихся планируется учителями школ в ходе систематической работы на уроках и во внеурочной деятельности – элективных курсах, кружковой работе, проектной деятельности и индивидуальных исследованиях школьников. (Статья О. В. Лебедевой «Формирование исследовательских умений учащихся в ходе непрерывной подготовки» – электронный ресурс: http://www.unn.ru/pages/e-library/methodmaterial/files/143.pdf).

В Примерной основной образовательной программе основного общего образования образовательного учреждения для основной школы (программа подготовлена институтом стратегических исследований в образовании РАО. Научные руководители – член-корреспондент РАО А. М. Кондаков, академик РАО Л. П. Кезина. Составитель – Е. С. Савинов) сказано, что для успешного осуществления учебно-исследовательской деятельности, обучающиеся должны овладеть следующими действиями:

—     постановка проблемы и аргументирование её актуальности;

—     формулировка гипотезы исследования и раскрытие замысла – сущности будущей деятельности;

—     планирование исследовательских работ и выбор необходимого инструментария;

—     собственно проведение исследования с обязательным поэтапным контролем и коррекцией результатов работ;

—     оформление результатов учебно-исследовательской деятельности как конечного продукта;

—     представление результатов исследования широкому кругу заинтересованных лиц для обсуждения и возможного дальнейшего практического использования.

Специфика учебно-исследовательской деятельности определяет многообразие форм её организации. В зависимости от урочных и внеурочных занятий учебно-исследовательская деятельность может приобретать разные формы.

Формы организации учебно-исследовательской деятельности на урочных занятиях могут быть следующими:

—     урок-исследование, урок-лаборатория, урок-творческий отчёт, урок изобретательства, урок «Удивительное рядом», урок-рассказ об учёных, урок-защита исследовательских проектов, урок-экспертиза, урок «Патент на открытие», урок открытых мыслей;

—     учебный эксперимент, который позволяет организовать освоение таких элементов исследовательской деятельности, как планирование и проведение эксперимента, обработка и анализ его результатов;

—     домашнее задание исследовательского характера может сочетать в себе разнообразные виды, причём позволяет провести учебное исследование, достаточно протяжённое во времени.

Формы организации учебно-исследовательской деятельности на внеурочных занятиях могут быть следующими:

—     исследовательская практика обучающихся;

—     образовательные экспедиции – походы, поездки, экскурсии с чётко обозначенными образовательными целями, программой деятельности, продуманными формами контроля. Образовательные экспедиции предусматривают активную образовательную деятельность школьников, в том числе и исследовательского характера;

—     факультативные занятия, предполагающие углублённое изучение предмета, дают большие возможности для реализации на них учебно-исследовательской деятельности обучающихся;

—     ученическое научно-исследовательское общество (УНИО) – форма внеурочной деятельности. Она сочетает в себе работу над учебными исследованиями, коллективное обсуждение промежуточных и итоговых результатов этой работы, организацию круглых столов, дискуссий, дебатов, интеллектуальных игр, публичных защит, конференций и др., а также встречи с представителями науки и образования, экскурсии в учреждения науки и образования, сотрудничество с УНИО других школ;

—     участие обучающихся в олимпиадах, конкурсах, конференциях, в том числе дистанционных, предметных неделях, интеллектуальных марафонах предполагает выполнение ими учебных исследований или их элементов в рамках данных мероприятий.

Многообразие форм учебно-исследовательской деятельности позволяет обеспечить подлинную интеграцию урочной и внеурочной деятельности обучающихся по развитию у них УУД. Стержнем этой интеграции является системно-деятельностный подход как принцип организации образовательного процесса в основной школе.

В статье Г. А. Григорьевой «Учебный эксперимент как основа формирования исследовательских умений школьников» – электронный ресурс: http://erono.ru/art/?ELEMENT_ID=52 говорится о том, что формированию исследовательских умений способствует учебный эксперимент, который позволяет отрабатывать такие элементы исследовательской деятельности, как планирование исследования, его проведение, обработку и анализ результатов, их представление. Учебный эксперимент может проводиться по различным предметам, но наиболее широко он представлен на уроках физики. Это может быть демонстрационный или фронтальный эксперимент, лабораторная или практическая работа. Во многих современных учебниках лабораторные работы предполагается выполнять после изучения некоторого блока материала. В этом случае учебный эксперимент проводится по заданному описанию и преследует цель проверки изученных ранее закономерностей протекания явлений или измерение какой-либо величины. Интересным представляется проведение фронтального эксперимента на этапе изучения нового материала, а именно: при выяснении зависимости одной величины от другой, выяснении особенностей протекания того или иного явления.

Рассмотрим, как это можно реализовать, например, на уроке физики в 7 классе по теме «Архимедова сила». Сначала учащимся с помощью тела, подвешенного на пружине, демонстрируется выталкивающее действие жидкости при погружении в нее. Наблюдаемое уменьшение веса тела объясняется тем, что на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила (Архимедова). Далее рассматривается способ измерения Архимедовой силы. Затем учащимся предлагается провести исследование и выяснить, от чего зависит величина выталкивающей силы. На этом этапе проводится своеобразный мозговой штурм – учащимся предлагается самим высказать предположения, от чего может зависеть величина выталкивающей силы. Учащиеся высказывают мысль о том, что она может зависеть от плотности тела, объема тела, степени погружения в жидкость, глубины погружения, плотности жидкости, массы тела. Далее класс разбивается на группы, и каждая группа проводит свое исследование. На этом этапе степень самостоятельности работы может быть разной:

—     группа может получить четкие инструкции, что и как делать, самостоятельно формулируются лишь выводы;

—     группа может сама спланировать эксперимент, отобрать приборы для его проведения, провести опыт и необходимые измерения, сформулировать вывод.

После этапа самостоятельной работы происходит поочередное представление исследований:

—     сообщается, какая цель была поставлена перед группой;

—     рассказывается о том, как было проведено исследование, с помощью каких приборов;

—     докладываются полученные результаты;

—     делается вывод о зависимости или независимости выталкивающей силы от какого-либо параметра.

В итоге учащиеся приходят к выводу о том, что выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, в которую погружается тело, и объема вытесненной жидкости и не зависит от массы тела, его плотности, глубины погружения (если тело целиком находится в жидкости).

В конце урока обязательно проводится рефлексия – учащиеся формулируют для себя, что они узнали, чему научились, на какие вопросы смогли ответить, на какие не смогли. Так на данном конкретном уроке формулируется проблема, которую предстоит решить на следующем уроке, — объяснить, почему выталкивающая сила зависит от объема вытесненной жидкости и ее плотности, а также выяснить, как можно рассчитать величину этой силы.

Систематическое формирование исследовательских умений на уроках физики в значительной степени развивает мышление ученика и такие надпредметные умения, как

—     вести наблюдения;

—     планировать исследование;

—     производить измерения и производить подсчеты;

—     представлять результаты исследования в различных знаковых системах: с помощью таблиц, графиков, схем, формул, а также делать логически выстроенное сообщение;

—     пользоваться специфическим языком данной науки;

—     работать в команде;

—     навыки публичного выступления.

Интересным представляется пропедевтический курс Г. Н. Степановой «Физика с 5 класса». Курс насыщен большим количеством практических работ, имеющих исследовательский, творческий характер. При этом ученик не получает готовые знания от учителя, а сам становится субъектом обучения, самостоятельно и осознанно приобретает новые знания из различных источников – собственного опыта, учебника, дополнительной литературы, Интернета и, конечно, из специально поставленных опытов. Это не только развивает ребёнка, но позволяет ему адекватно воспринимать получаемую информацию, отделять факты от вымысла, чувствовать себя увереннее в окружающем мире. Интеллектуальные и исследовательские умения, которые формируются на уроках естественнонаучного цикла, помогают учащимся также и на уроках гуманитарного цикла. Таким образом, данный пропедевтический курс основной целью имеет развитие личности ребёнка средствами физики.

Кроме собственно учебного эксперимента, учащиеся могут выполнять домашний эксперимент. Если включать в практику работы выполнение домашнего эксперимента уже в начальной школе или в 5-6 классах, то это будет формировать привычку работать не только на репродуктивном уровне, но и на творческом. Для начала домашние эксперименты должны сопровождаться четкими инструкциями о том, что необходимо сделать, и в форме, побуждающей к творческому решению задачи:

—       Исследуй…

—       Определи…

—       Понаблюдай…

—       Изучи…

—       Сравни…

—       Сопоставь…

—       Сделай вывод…

—       Опиши то, что исследовал…

Важно, чтобы была чёткая организация системы домашних экспериментальных работ. Начиная с организационных моментов (постановки цели, подготовки рабочего места, журнала наблюдений), ознакомления с основными видами домашней экспериментальной работы (наблюдениями, опытами, лабораторными работами), выполнения простейших измерений и изготовления простейших приборов, переходя к заданиям с точными предписаниями учителя, необходимо постепенно увеличивать долю самостоятельности при планировании и проведении эксперимента. Выполнение эксперимента в домашних условиях может оказаться более комфортным для учащихся, так как при этом они не связаны временными рамками, и это дает возможность каждому ребенку работать в своем темпе и на определённом уровне. Систематическая, последовательная работа в классе и дома создаёт предпосылки для формирования как обобщённых знаний и умений, так и непосредственно умения вести самостоятельное исследование в соответствии с логикой научного познания.

Ещё одной особенностью учебно-исследовательской деятельности является её связь с проектной деятельностью обучающихся. Одним из видов учебных проектов является исследовательский проект, где при сохранении всех черт проектной деятельности обучающихся одним из её компонентов выступает исследование.

При этом необходимо соблюдать ряд условий:

—     проект или учебное исследование должны быть выполнимыми и соответствовать возрасту, способностям и возможностям обучающегося;

—     для выполнения проекта должны быть все условия – информационные ресурсы, мастерские, клубы, школьные научные общества;

—     обучающиеся должны быть подготовлены к выполнению проектов и учебных исследований как в части ориентации при выборе темы проекта или учебного исследования, так и в части конкретных приёмов, технологий и методов, необходимых для успешной реализации выбранного вида проекта;

—     необходимо обеспечить педагогическое сопровождение проекта как в отношении выбора темы и содержания (научное руководство), так и в отношении собственно работы и используемых методов (методическое руководство);

—     необходимо использовать для начинающих дневник самоконтроля, в котором отражаются элементы самоанализа в ходе работы и который используется при составлении отчётов и во время собеседований с руководителями проекта;

—     необходимо наличие ясной и простой критериальной системы оценки итогового результата работы по проекту и индивидуального вклада (в случае группового характера проекта или исследования) каждого участника;

—     результаты и продукты проектной или исследовательской работы должны быть презентованы, получить оценку и признание достижений в форме общественной конкурсной защиты, проводимой в очной форме или путём размещения в открытых ресурсах Интернета для обсуждения.

В статье О. В. Лебедевой «Формирование исследовательских умений учащихся в ходе непрерывной подготовки» – электронный ресурс: http://www.unn.ru/pages/e-library/methodmaterial/files/143.pdf сказано, что на уроке закладываются базовые исследовательские умения у всех школьников, как того требует государственный стандарт общего образования. В процессе обучения выявляются наиболее мотивированные к исследовательской деятельности школьники, для которых необходимо организовать внеурочные формы организации учебных исследований. В наиболее полном варианте исследование воплощается при выполнении научно-исследовательской работы в рамках Научного общества учащихся (НОУ). При этом учащийся полноценно проходит все этапы исследования, причём в том темпе, который ему удобен. Руководство работой осуществляется либо учителем, либо учёными соответствующих вузов или научно-исследовательских институтов. В последнем случае зачастую школьники работают над проблемой, которая представляет собой научную новизну, и могут получить не только субъективно, но и объективно новое знание. Например, тематика учебно-исследовательских работ (УИР) школьников по физике определяется исследованиями, проводимыми на кафедрах физического факультета ННГУ, в лабораториях НИФТИ и НОЦ ФТНС. Школьникам предлагаются как теоретические, так и экспериментальные задания, а предлагаемые темы учебно-исследовательских работ являются частями современных научных проблем, адаптированные под уровень, который в состоянии освоить ученик школы. В качестве соруководителей часто привлекаются аспиранты, магистранты и студенты старших курсов. Таким образом, организуется вертикаль научного руководства и сотрудничества, необходимая для подготовки молодых научных кадров. В ходе выполнения научной работы школьник осваивает использование современных компьютерных технологий.

Совместная работа с настоящими учеными, ведущими именно научный поиск, позволяет учащимся почувствовать себя исследователем и пройти все этапы исследования – от поиска и теоретического анализа информации до обобщения и анализа результатов. Именно поэтому многие из них продолжают впоследствии заниматься научной деятельностью, будучи студентами, участвуют в конкурсах научных работ, а затем поступают в аспирантуру.

Для наиболее мотивированных школьников, готовящихся к продолжению образования в вузе, создаются профильные классы в системе «школа-вуз». В ходе специально организованного учебного процесса учащиеся должны освоить теоретические знания, необходимые для дальнейшего физико-математического образования, научиться применять их для решения физических задач, освоить экспериментальные методы физических исследований.

Список информационных ресурсов

  1. Абдулов, Р. М. Использование интерактивных средств в процессе развития исследовательских умений учащихся при обучении физике : автореф. дис. канд. пед. наук // Педагогическое образование в России. – 2014. – № 7. – С 60-67.
  2. Гребенев, И. В. Физический эксперимент в учебном процессе : Учеб. пос. / И. В. Гребенев, О. В. Лебедева. — Н.Новгород, 2009.
  3. Исследовательская деятельность учащихся в профильной школе / Авт. -сост. Б. А. Татьянкин и др. / Под ред. Б. А. Татьянкина. — М. — 5 за знания, 2007.
  4. Ковтунович, М. Г. Домашний эксперимент по физике : пособие для учителя / М. Г. Ковтунович. – М. : Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2007.
  5. Лебедева, О. В. Единый государственный экзамен и проблемы подготовки студентов физических специальностей в классическом университете / М. О. В. Лебедева, Е. Л. Ким // Наука и школа. – 2010. — № 6. – С. 4 -5.
  6. Лебедева, О. В. Проблемы организации исследовательской деятельности учащихся в учебном процессе по физике / О. В. Лебедева // Наука и школа. – 2008. — № 6. – С. 31-34.
  7. Леонтович, А. В. Исследовательская деятельность учащихся / А. В. Леонтович. — М., 2003.
  8. Обухов, А. С. Исследовательская позиция и исследовательская деятельность : что и как развивать / А. С. Обухов // Исследовательская деятельность школьников. — 2003. — № 4. – С. 18 – 23.
  9. Савенков, А. И. Психологические основы исследовательского подхода к обучению : Учебное пособие / А. И. Савенков. – М. : «Ось-89», 2006.
  10. Степанова, Г. Н. Физика с пятого класса : Пропедевтический курс: Программа и методический комментарий / Г. Н. Степанова. — СПб. : ООО «Валери СПД», 1999.