Combination of information coding methods as a condition of effective physical concepts development in primary school

Full Text

Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования [1], подготовленные на его основе программы [2; 3] и учебники [4–15] предполагают усвоение учащимися 7–9 классов ряда теоретических обобщений высокого уровня абстрактности, которые в советский период изучались только в старшем звене. Например, в курсе физики основной школы теперь анализируются такие сложные даже для старшеклассников вопросы, как насыщенный пар и его свойства, абсолютная и относительная влажность воздуха, электромагнитная индукция, правило Ленца, радиоактивность и другие. Эти обобщения соответствуют пятому (самому высокому) уровню трудности, то есть для их интериоризации требуется большое число эффективных вовлечений в разнообразную учебную деятельность школьников [16]. В условиях дефицита учебного времени и предельной насыщенности учебных программ, соответствующих современному ФГОС, многие учителя физики испытывают трудности в формировании у школьников психических понятийных структур. Рассмотрим возможный способ разрешения этого противоречия на основе психологических закономерностей становления индивидуального интеллекта [17] и авторской концепции управления интеллектуальным развитием обучающихся [18].

Установлено, что психические понятийные структуры являются системообразующим элементом индивидуального интеллекта [19]. Исследования показали, что интериоризация физических понятий, то есть их переход из внешнего плана во внутренний план субъекта, происходит эффективно, если использовать задачный комплекс: 1) соответствующий этапам становления психических понятийных структур, 2) включающий учебные задачи с разными способами кодирования информации – чувственно-действенным, образным, знаковым [18]. Одним из индикаторов высокого уровня становления психических понятийных структур является легкость и быстрота перехода субъекта от одного способа кодирования информации к другому в процессе решения задач. В силу психологических особенностей подросткового возраста большое значение для учащихся основной школы имеют чувственно-действенный и образный способы кодирования информации. Педагогический эксперимент показывает, что: 1) на этапе мотивирования целесообразно использование проблемных заданий экспериментального, качественного и вычислительного характера; 2) на этапе категоризации полезно предъявление информации на цифровых, прозрачных или бумажных носителях и выполнение заданий на узнавание; 3) на этапе обогащения эффективны абстрактные и ситуативные задания с использованием эксперимента, рисунков, графиков, знаков, побуждающих к перекодированию информации и допускающих решение посредством применения только нового вводимого понятия; 4) на этапе переноса уместны задания абстрактного (таблицы, графики, знаки) и ситуативного (эксперимент, фото, знаки) характера, предполагающие использование связей нового вводимого понятия с ранее усвоенными понятиями; 5) на этапе свертывания предпочтительны задания на установление соответствия между элементами знаний, на систематизацию и обобщение знаний.

Руководствуясь этими идеями, рассмотрим алгоритм проектирования комплекса учебных заданий и методики изучения темы «Электромагнитная индукция» в 8 классе.

Используя программу [2] и кодификатор основного государственного экзамена [20], выделяем ключевые элементы знания в этой теме (таблица 1).

Таблица 1 – Ключевые элементы знания темы «Электромагнитная индукция»

Затем определяем способы действий (умения), которыми могут овладеть ученики основной школы, используя выделенные теоретические обобщения (табл. 2).

Таблица 2 – Ключевые способы действий темы «Электромагнитная индукция»

Далее продумываем дидактические средства и формы взаимодействия субъектов образовательной деятельности для организации усвоения ключевых элементов содержания темы.

Практика показывает, что изложение новой информации на уроке первичного предъявления знания для учащихся основной школы целесообразно сопровождать построением на доске структурно-логической схемы (СЛС), которая способствует активизации восприятия и мышления, а также благоприятствует как оперативному, так и долговременному запоминанию учениками вводимых элементов учебного знания. Фиксируя СЛС в тетрадях вслед за учителем, обучающиеся осуществляют знаковое и образное кодирование информации с использованием мелкой моторики. На рисунке 1 представлен в сжатом виде возможный вариант такой СЛС.

Содержательным базисом для построения СЛС служит логика физического познания природы: от анализа экспериментальных фактов – к выдвижению гипотезы, из которой выводятся теоретические следствия, подвергаемые далее опытной проверке [21]. В качестве инвариантных ориентировочных основ познавательной деятельности используем модернизированные обобщенные планы А.В. Усовой [22]. Например, для осмысления экспериментальных фактов – опытов М. Фарадея – полезен такой обобщенный план: цель опыта – средства экспериментирования – результаты наблюдений – объяснение.

Рисунок 1 – Структурно-логическая схема «Электромагнитная индукция»

Опыты М. Фарадея (рис. 2) выполняют мотивирующую функцию: школьники могут быть заинтригованы тем, что электрический ток в катушке, замкнутой на гальванометр, возникает без источника в виде батарейки или выпрямителя. Результаты наблюдений представлены в таблице 3.

Рисунок 2 – Опыт М. Фарадея

Таблица 3 – Результаты наблюдений опытов М. Фарадея

Демонстрируемые опыты обеспечивают чувственно-действенное кодирование таких новых для школьников элементов знания, как ток индукции, электромагнитная индукция. Знаковое кодирование осуществляется посредством формулировки определения каждого понятия. Электромагнитной индукцией называют явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи при изменении числа линий магнитного поля, пронизывающего эту цепь. Ток индукции – такой ток, который создается (наводится) изменяющимся магнитным полем.

Для объяснения первой совокупности экспериментальных фактов (различного направления тока индукции) рассмотрим модель катушки – один ее виток как замкнутый проводник. Заметим, что при поднесении магнита (или электромагнита) северным полюсом к витку магнитное поле вблизи витка становится интенсивнее. Это значит, что число магнитных линий (n), пронизывающих виток, увеличивается, то есть Δn = n₂ – n₁ > 0. При этом линии входят в плоскость витка (покажем их направление символом «×»).

Так как ток индукции при этом направлен против часовой стрелки (таблица 3), он создает свое собственное магнитное поле, линии которого в соответствии с правилом буравчика направлены навстречу линиям магнитного поля магнита (покажем их направление символом «·»). Зафиксируем сказанное с помощью рисунка 3 (образное кодирование информации).

Рисунок 3 – Картина силовых линий при поднесении магнита северным полюсом к витку проволоки

Если теперь магнит удалять от витка, не меняя расположения полюсов, то число магнитных линий (n), пронизывающих катушку, уменьшается и поэтому Δn = n₂ – n₁ < 0. Линии по-прежнему входят в плоскость витка (покажем их направление символом «×»). При этом ток индукции направлен по часовой стрелке (таблица 3), и, значит, он создает свое собственное магнитное поле, линии которого в соответствии с правилом буравчика сонаправлены с линиями магнитного поля магнита (покажем их направление символом «×»). Зафиксируем сказанное с помощью образа (рис. 4).

Рисунок 4 – Картина силовых линий при удалении магнита от витка проволоки

Если магнит (электромагнит) неподвижен относительно витка, то число магнитных линий, пронизывающих виток, не изменяется (Δn = n₂ – n₁ = 0), и ток индукции в витке отсутствует (Iᵢ = 0). Таким образом, возникающий в замкнутом контуре ток индукции всегда имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует изменению числа линий внешнего магнитного поля, то есть поддерживает постоянным первоначальное число магнитных линий, пронизывающих виток. Это теоретическое обобщение называется правилом Ленца.

На основе рассмотренных примеров составим алгоритм (ориентировочную основу действий) для нахождения направления тока индукции.

1. Выяснить направление магнитных линий внешнего магнитного поля.
2. Выяснить, увеличивается или уменьшается число магнитных линий, пронизывающих замкнутый проводник.
3. Показать направление линий магнитного поля, созданного током индукции: если число линий внешнего магнитного поля увеличивается, то магнитные линии тока индукции направлены навстречу им, а если число линий внешнего магнитного поля уменьшается, то магнитные линии тока индукции сонаправлены линиям внешнего поля.
4. Найти направление тока индукции согласно правилу буравчика.

Для объяснения второй совокупности экспериментальных фактов – различной величины тока индукции – заметим, что при быстром поднесении магнита (или электромагнита) любым полюсом к витку скорость изменения магнитного поля вблизи витка велика, а значит, велика быстрота изменения (скорость) числа магнитных линий, пронизывающих виток (Δn / Δt). Следствием этого является сравнительно большая величина тока индукции Iᵢ (таблица 3). Таким образом, величина тока индукции в замкнутом витке пропорциональна скорости изменения числа магнитных линий, пронизывающих виток: Iᵢ = k·|Δn / Δt|, где k – размерный коэффициент пропорциональности. Это теоретическое обобщение называется законом М. Фарадея.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия микрофонов, генераторов переменного тока, трансформаторов, некоторых видов электрических печей.

Фиксация учениками СЛС в тетрадях завершает этап категоризации. Для дальнейшего становления у школьников психических понятийных структур и усвоения умений оперировать рассмотренными теоретическими обобщениями нужен комплекс разноплановых учебных заданий. В составе этого комплекса на этапе обогащения полезны задания 1–5.

1. Полосовой магнит удаляют от прямоугольной алюминиевой рамки, причем южный полюс направлен к рамке (рис. 5). Найдите направление тока индукции в рамке и покажите направление магнитной силы, действующей на рамку со стороны магнита.

Рисунок 5 – Генерирование тока индукции в рамке при удалении магнита

2. Замкнутую металлическую рамку перемещают с постоянной скоростью в неоднородном магнитном поле, линии которого направлены от наблюдателя (рис. 6). Каково направление тока индукции в рамке?

Рисунок 6 – Движение рамки в неоднородном магнитном поле

3. На рисунке 7 показано направление тока индукции в медном кольце и направление магнитных линий неподвижного полосового магнита, перпендикулярного плоскости кольца. Приближают или удаляют кольцо по отношению к магниту? [Здесь ученикам предстоит рассмотреть случаи, когда магнит расположен над кольцом южным полюсом вниз и под кольцом северным полюсом вверх].

Рисунок 7 – Возникновение тока индукции в кольце, движущемся относительно магнита

4. На графике (рис. 8) показана зависимость тока индукции в неподвижной алюминиевой катушке от времени. В какие интервалы времени магнит: 1) покоился, 2) приближался к катушке, 3) удалялся от катушки?

Рисунок 8 – Зависимость тока индукции от времени в катушке при изменении магнитного поля

5. В таблице 4 зафиксировано число магнитных линий (n), пронизывающих катушку из медного провода в разные моменты времени t. В какие интервалы времени ток индукции протекает по кольцу?

Таблица 4 – Зависимость числа магнитных линий, пронизывающих катушку, от времени

На этапе переноса ученикам могут быть предложены задания 6–11.

6. Воспроизводя эксперименты М. Фарадея, ученики в первом опыте подносили полосовой магнит северным полюсом к торцу катушки, замкнутой на гальванометр (рис. 2). Затем они изменяли положение полюсов, направление и величину скорости движения магнита относительно катушки. В какой ситуации (рис. 9) изображен гальванометр, когда магнит: а) приближали к катушке южным полюсом вдвое быстрее, чем северным полюсом; б) удаляли от катушки северным полюсом, направленным вниз, втрое быстрее, чем в первом опыте? Нарисуйте гальванометр для ситуаций, когда магнит: в) не перемещали относительно катушки, г) удаляли от катушки южным полюсом, направленным вниз, со скоростью, вдвое большей, чем в первом опыте.

Рисунок 9 – Различное отклонение стрелки гальванометра, замкнутого на катушку, в зависимости от направления и величины скорости магнита относительно катушки

7. Полосовой магнит свободно падает в вертикальном положении южным полюсом вниз (рис. 10). Сравните ускорение магнита с ускорением свободного падения: а) в момент его приближения к неподвижному серебряному кольцу и б) сразу после пролёта кольца. Дайте обоснованный ответ.

Рисунок 10 – Падение магнита сквозь серебряное кольцо

8. На рисунке 11 изображен длинный проводник с током, в плоскости которого располагается проволочная рамка. Направление тока в проводнике указано стрелкой. Укажите стрелками направления тока в рамке: а) при включении тока в проводнике, б) при выключении тока в проводнике. Назовите физические явления и законы, которые вы использовали для объяснения.

Рисунок 11 – Генерирование проводником с током тока индукции в рамке

9. Корпус одного компаса изготовлен из пластика, а другого компаса – из алюминия. В каком приборе колебания стрелки затухают быстрее? Дайте обоснованный ответ.
10. Экспериментальная задача с демонстрационного стола. Оборудование: катушка на 3600 витков, подключенная к входу Y осциллографа, камертон с намагниченной стальной вилкой, резиновый молоточек. Если ударить молоточком по вилке камертона, поднесенного в катушке, то на экране осциллографа наблюдается затухающая синусоида. Объясните этот эффект.
11. Экспериментальная задача с демонстрационного стола. Оборудование: два штатива, катушка от прибора для демонстрации магнитных спектров тока (1), зеркальный гальванометр (2), длинные провода (рис. 12). Наблюдаемое явление: в процессе механических колебаний катушки стрелка зеркального гальванометра совершает колебательное движение, отклоняясь то вправо, то влево. Объясните этот эффект.

Рисунок 12 – Колебания катушки, замкнутой на гальванометр

На этапе свертывания могут быть использованы задания 12–13.

12. Приведите примеры использования явления электромагнитной индукции в различных сферах жизнедеятельности. Дайте развернутый ответ.
13. Выберите два правильных утверждения.

А. Правило буравчика используется для определения направления тока индукции в замкнутом проводнике при изменении числа линий магнитного поля, пронизывающего проводник.

Б. Закон Фарадея устанавливает причинно-следственную связь между скоростью изменения линий магнитного поля, пронизывающего проводник, и величиной тока индукции в этом проводнике.

В. Правило Ленца используется для определения направления линий магнитного поля, созданного электрическим током.

Г. Если число линий внешнего магнитного поля, пронизывающего медное кольцо, уменьшается, то линии магнитного поля тока индукции в кольце сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля.

Д. Величина тока индукции в замкнутом витке проволоки будет тем больше, чем медленнее увеличивается число линий магнитного поля, пронизывающего этот виток.

Подготовленный комплекс учебных заданий отвечает требованиям целевой направленности и целевой достаточности. Это означает, что задания направлены на отработку тех элементов содержания темы, которые перечислены в таблицах 1, 2, и охватывают все перечисленные элементы содержания. Для эффективного обогащения умственного опыта в комплексе предусмотрено разнообразие кодирования информации: а) чувственно-действенное кодирование используется в примерах 10–11 (эксперимент); б) образное кодирование – в примерах 1, 2, 3, 6, 7, 8 (рисунки), 4 (график); в) знаковое кодирование – в примерах 9, 12, 13 (только текст), 5 (таблица). Немаловажным является и тот факт, что задания подготовлены в соответствии с кодификатором и особенностями контрольно-измерительных материалов к государственной итоговой аттестации выпускников основной школы по физике.

Описанный подход к проектированию методики обучения учащихся основной школы наиболее трудным элементам учебного содержания апробирован нами в Самарском лицее авиационного профиля № 135 и показывает высокие образовательные результаты.

About the authors

Evgeny Andreevich Samoilov

Author for correspondence.
Email: evge-samojlov@yandex.ru

doctor of pedagogical sciences, professor of Physics, Mathematics and Methods of Teaching Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1

Download (23KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2

Download (5KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3

Download (4KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4

Download (4KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5

Download (3KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6

Download (3KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7

Download (2KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8

Download (5KB)

Indexing metadata

10. Fig. 9

Download (9KB)

Indexing metadata

11. Fig. 10

Download (3KB)

Indexing metadata

12. Fig. 11

Download (1KB)

Indexing metadata

13. Fig. 12

Download (4KB)

Indexing metadata