Применение задач-оценок на старшей ступени изучения физики в средней школе

 

ГЛАВА 2. ЗАДАЧИ-ОЦЕНКИ И ИХ РОЛЬ

В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ ПО ФИЗИКЕ

§2.1. Сущность понятия «оценка»

Анализ научно-методической литературы [20, 17, 23 и др.] и педагогического опыта учителей физики показывает, что надежным путем, приносящим положительные результаты в развитии научного мышления учащихся, является обучение их решению задач-оценок.

Понятие «оценка» широко и многогранно, используется как в обыденной жизни, так и во многих областях науки. Соответственно и  определения термина очень не однозначны. В философской литературе (по аксиологии учении о ценностях) оценка понимается как «свойство, выражающее отношение субъекта к объекту», имеющее трехкомпонентную структуру – субъект, объект, основание оценки. Оценочная процедура не включает средства оценки. Основание оценки – это позиция, точка зрения, отношение и прочее субъекта к предмету рассмотрения [20].

Понимая оценку как отношение субъекта к познаваемому объекту в рамках научного знания, можно, по-видимому, говорить лишь об оценивании самого знания и его отдельных форм, методов, средств, когда в качестве основания оценки берутся требования, условия, признаки, к нему предъявляемые. Например, какую-либо теорию можно оценить на соответствие определяющим признакам теории как формы научного познания, среди которых предметность, адекватность, полнота, интерпретируемость, истинность и достоверность и прочие. Подобная деятельность, являющаяся, по сути, научной рефлексией над знанием, носит теоретический характер. Если же под объектом оценками понимать материальный объект, то результат оценки не сможет быть интерпретирован как твердо установленный научный факт, однако полученная информация, часто носящая вероятностный характер, может иметь огромное значение не только для субъекта познания, но и для науки в целом. Иными словами прогностическая ценность оценочного знания очень велика.

Понятие оценки широко используется и в физике-науке и применяется как нахождение приблизительного значения физической величины [14]. Однако даже в физике трактовка понятия не однозначна. Например, в метрологической литературе оценка определяется как «действие, производимое человеком с целью определить (оценить) без применения вспомогательных средств, обычно «на глаз», интенсивность какого-либо явления или результат определенного физического действия, а также свойство или качество конкретных тел и веществ». В процессе подобной оценки производится наблюдение внешних признаков, а затем наблюдаемым признакам ставится в соответствие число по принятым нормам и правилам [20,3].

Примеров подобного рода оценок можно привести множество: приближенное определение времени, длины, числа предметов и т.д. (имеется в виду определение «интуитивное», не сопряженное с измерениями и вычислениями); определение яркости звезд (осуществляемое прямым наблюдением); оценка силы землетрясения (по эмпирической шкале Зиберга в баллах); оценка силы ветра; и т.д.

Оценка в физике нахождение приблизительного значения физической величины обладает огромными возможностями, и широкое использование ее существенно влияет на развитие научного знания. Например, впервые предложение о существовании мезона-частицы, обуславливающей внутриядерные процессы, высказал японский ученый Юкава (1935 г.). Используя соотношение неопределенностей, он оценил примерное значение массы этой частицы в 200-300 электронных масс. Этой грубой оценки оказалось достаточно, чтобы утверждать существование новой элементарной частицы, отличной от всех к тому времени известных частиц. Интенсивные поиски экспериментаторов увенчались успехом: в течение 12 лет обнаружилось пять мезонных частиц, но только три из них совершенно точно отвечали свойствам, которые диктовались теорией. Предсказание Юкавы блестяще подтвердились и явились ценнейшим вкладом в развитие мезонной теории ядерных сил.

Происходящая сегодня смена концепций образования, современные идеи модернизации школьного физического образования, потребовали привнесения в школьный курс физики идей и методов познания, характерных для физики-науки, с одной стороны, и разработки методик обучения физике, способствующих становлению и развитию личности школьника с другой стороны. Использование оценок в процессе обучения и формирование у учащихся оценочной деятельности может способствовать решению задач современного физического образования. Через оценку (как объекта, так и знания) у школьников развивается ценностное отношение к окружающему миру и к миру знаний. Речь идет и об эмоциональных оценках («сила трения – это хорошо или плохо, полезно или вредно?»); и об оценке своей деятельности («прав или не прав, получив результат практической работы или теоретического размышления?»); и об оценке информации («все ли данные есть в условии задачи?»); и об оценке физической величины («оцените мощность, которую вы развиваете, поднимаясь бегом на 3-ий этаж своей школы») и т.д.

В связи со сложностью понятия «оценка» и соответствующей этому понятию многоуровневому пониманию оценочной деятельности, Н.Е. Важеевская [5] предлагает рассматривать оценку как четырехкомпонентную структуру:

1. мнение  о ценности, значении, качестве чего-нибудь;

2. оценка  информации (рефлексия над знанием);

3. оценка  своей деятельности (рефлексия над  собственной деятельностью);

4. количественная оценка (прикидка).

В нашем исследовании основное внимание уделено количественным оценкам. В последнее время физические задачи-оценки нередко используются в передовой педагогической практике, а также при проведении единого государственного экзамена и на олимпиадах. При этом подчеркивается взаимосвязь физических и математических факторов решаемости задач [38].

В образовательных целях под физическими оценками, дающими качественную картину изучаемого объекта или явления, будем понимать широкий спектр как качественных, так и количественных общих подходов и конкретных методов – от использования фундаментальных физических законов, до простых оценок из соображения подобия и размерности, а также численные оценки упрощенных моделей, разработанных на основе конкретных законов физических теорий.

В научно-методической литературе ориентиры поиска решения задачи-оценки представляются в виде блок-схемы 1, которая прослеживает характерные этапы получения оценок [13].

 

Схема 1. Ориентиры поиска решения задачи-оценки

 

Построение физической модели ситуации

Осуществление мысленного эксперимента с моделями

Формулирование гипотез об изменениях стояний объекта при определенных условиях

                                

Отбор наиболее значимых для оценки гипотез

Составление основного уравнения, описывающего выбранную модель ситуации (задачи)

Составление дополнительных уравнений для оценки значений указанной физической величины

Вычисление указанной физической величины

Контроль правильности полученного значения искомой величины

 

Освоение разнообразных оценок в процессе обучения выводит на их применение в различных жизненных ситуациях: успею ли добраться, хватит ли денег, сумею ли удержать груз и т.д., и тем самым способствует рациональной организации своего времени.

 

§2.2. Задачи-оценки в курсе физики средней школы

В жизни каждому нередко приходится делать прикидки, оценки. Грубая прикидка, оценка по порядку величины — почти обязательный этап подготовки любого эксперимента, теоретической разработки. Умение делать прикидки очень важный элемент практически в любой исследовательской и творческой работе. Не требуется особых доказательств того, что именно физические задачи-оценки формируют такие умения.

Задачи-оценки — это класс задач, особенностью которых является то, что для их решения надо распознать физическое явление или процесс, лежащий в основе оценочной ситуации, построить определенную физическую модель. Если понята физическая сущность задачной ситуации, и подобраны основные законы, уравнения, формулы, при помощи которых можно создать математическую модель исходной физической задачи, производится выбор приемов математических процедур решения, а также разумных значений физических величин [9].

Именно задачи-оценки позволяют применить теоретические положения и законы физики на практике, другими глазами увидеть происходящие вокруг нас процессы и явления, «приземлить» довольно сложную теорию. Именно эти задачи позволяют оценить человека как физический объект, определить его место и роль в природе.

Ценность задач-оценок состоит и в том, что в формулировке их нет или почти нет необходимых для решения численных значений физических величин. Выбрать и задать эти величины должен сам учащийся, перелистав справочную литературу. Интерес этих задач связан и с тем, что они взяты из окружающей нас повседневной жизни. В ходе решения подобных задач учащиеся сталкиваются с проблемами, требующими применения уже имеющихся у них знаний, умений и навыков в новых условиях, когда на основе использования своего учебного и жизненного опыта они «открывают» неизвестные им законы и закономерности. Все это создает благоприятную атмосферу для развития заложенных природой творческих качеств учащихся, формирования устойчивого интереса к изучению предмета.

Физическая постановка задачи, выбор и построение простейшей физической модели явления — наиболее важный и вместе с тем трудный этап решения задач-оценок. Нужно правильно отобрать физические параметры, наиболее существенные для задачи, определяющие ее физику, и пренебречь параметрами, слабо влияющими на интересующее нас явление.

Очень важным моментом является использование знаний математики (законов арифметики, алгебры, геометрии) как инструмента при решении физических задач.

Для решения задачи-оценки надо понять рассматриваемое физическое явление, сформулировать простую модель этого явления (так как нужна только оценка), выбрать разумные числовые значения физических величин и получить реальное значение искомой величины. Каждая предлагаемая задача должна быть не только решена в общем виде, но и доведена до логического и количественного результата с оценкой этого результата на реальность.

Оценить - это значит, дать приблизительное значение требуемой величины, опираясь на реальные значения используемых для расчетов величин. Математические действия с приближенными числами практически нигде, кроме как в экспериментальных задачах и задачах-оценках не встречаются.  Поэтому необходимо детальное изучение этого раздела математики.

Довольно часто при решении задач-оценок применяется метод размерностей. В этом методе явно используется предположение о том, что параметры задачи входят в результат в виде сомножителей. Численные коэффициенты только из соображений размерностей получить нельзя. Иногда их можно определить из какого-нибудь частного случая, чаще эти коэффициенты условно полагают равными единице. Последнее может быть допустимо, если речь идет об оценке лишь по порядку величины.

В отличие от стандартных, алгоритмизированных задач с заранее определенными условиями, однозначным ответом, задачи-оценки, не имеют однозначного решения: качество и уровень решения зависят от уровня подготовки учащегося, его способностей, развития кругозора.

Примером подобных задач могут служить следующие:

1. Оценить количество молекул воды содержится в вашем теле?

2. Оценить что быстрее: солнечный луч достигнет поверхности Земли или вы пробежите один круг по школьному стадиону?

3. Оцените скорость опускания парашютиста с раскрытым парашютом.

4. Оцените давление шариковой ручки на бумагу при письме.

5. Оцените, какое минимальное время требуется для того, чтобы космический корабль достиг поверхности Венеры после своего старта с Земли?

6. Зная, что атмосфера Венеры состоит из углекислого газа, предложите способ оценки и оцените среднюю плотность и высоту атмосферы над поверхностью планеты.

7. Оценить отношение времени подъема брошенного с земли вертикально вверх волейбольного мяча ко времени его падения.

8. Оцените скорость струи пара, выходящего из носика кипящего чайника.

9. Оцените во сколько раз в  погожий солнечный день светлее, чем ночью в полнолуние.

10. Оценить расстояние от своего  дома до ближайшей автобусной  остановки.

11. Оценить давление, оказываемое на  пол в комнате всеми находящимися  в ней предметами.

12. Оценить скорость истечения воды  из водопроводного крана.

13. Оценить время прохождения сигнала при разговоре по спутниковому телефону, использующему спутник, находящийся на геостационарной орбите (то есть постоянно «висящий» над одной точкой земной поверхности).

14. Оценить внутреннюю энергию кубического  метра воздуха при обычных  условиях. Если всю эту энергию  передать воде в стакане, то  закипела ли бы вода?

15. Оцените скорость воздуха, с которой можно выдувать его ртом через трубку от разобранной шариковой ручки.