Экспериментальное изучение относительности механического движения в старшей школе

В основу предлагаемой методики положены учебные опыты по движению центра масс и других точек тела в разных системах отсчета. Прибор для этих опытов состоит из диска, внутри которого расположены источник питания, генератор импульсов напряжения и переключатель. На поверхности диска в его геометрическом центре, центре масс и в произвольной точке закреплены светодиоды разного цвета. Они могут гореть в непрерывном или стробоскопическом режиме. Производится наблюдение и фотографирование движения диска. Учащиеся получают наглядные образы механических движений в разных системах отсчета и исследуют их количественно. Педагогический эксперимент показал эффективность предложенной методики.

Цель исследования: совершенствование методики изучения относительности механического движения в старшей школе на основе использования учебного физического эксперимента.
Задачи исследования.
1. Изучить методическую и учебную литературу, относящуюся к проблеме формирования понятия относительности механического движения в школьном курсе физики. Рассмотреть требования ФГОС к содержанию и организации внеурочной деятельности по физике.
2. Разработать технологию изготовления учебного прибора для демонстрации движения центра масс и других точек тела, а также серию демонстрационных и исследовательских опытов с этим прибором, направленных на раскрытие физической сущности принципа относительности.
3. Разработать программу и методику организации внеурочной деятельности по самостоятельному изготовлению учащимися 10 класса прибора для экспериментального изучения относительности механического движения.
4. Провести педагогический эксперимент с целью обоснования возможности и целесообразности применения разработанной методики экспериментального изучения относительности механического движения на уроках физики и во внеурочной проектной деятельности учащихся старшей школы.

Современное состояние проблемы. Традиционное изучение принципа относительности опирается на умозрительные рассуждения и примеры. Методика применения эффектного доказательного учебного эксперимента в урочной и внеурочной работе при изучении этой темы не разработана.

Актуальность обусловлена противоречием между тем значением, которое уделяется принципу относительности Федеральным государственным образовательным стандартом, программами школьного курса физики, школьными учебниками, и недостаточно высоким уровнем изучения этого принципа в школе.

Проблема: каким должно быть изучение механического движения в школе, чтобы результатом его стало глубокое понимание учащимися физической сущности принципа относительности?

Теоретические методы: анализ нормативной, учебной и научно-методической литературы, моделирование деятельности субъектов обучения, проектирование методики изучения относительности движения в старшей школе.

Экспериментальные методы: опытно–конструкторская работа по созданию новых физических приборов и экспериментальных установок, фотографирование, педагогический эксперимент. В рамках педагогического эксперимента использовались методы: наблюдение, анкетирование, опрос, методы статистической обработки результатов педагогического эксперимента, совместная с учащимися проектная деятельность, поэлементный анализ результатов работы школьников.

Материалы. В опытно-конструкторской работе использовалось: оборудование школьного кабинета физики, приборы и материалы учебной мастерской, паяльное место и принадлежности, цифровой фотоаппарат, персональный компьютер. При проведении педагогического эксперимента использовалось: компьютерные презентации, раздаточные материалы, анкеты, приборы и материалы для совместного с учащимися изготовления и исследования приборов.

При выполнении исследования была изучена методическая и учебная литература, проанализированы содержание и методика изучения относительности механического движения в школьном курсе физики на базовом и профильном уровнях. Предложена оригинальная методика формирования понятия относительности механического движения при изучении физики в школе. В ее основу положены учебные опыты по движению центра масс и других точек тела в разных системах отсчета. Прибор для этих опытов состоит из эластичного диска, внутри которого расположены источник питания, генератор импульсов напряжения и переключатель. На поверхности диска в его геометрическом центре, центре масс и в произвольной точке закреплены светодиоды разного цвета. Переключатель позволяет включить питание прибора и выбрать непрерывный или стробоскопический режим свечения светодиодов. В опытах диск вращают, катят или бросают и наблюдают или фотографируют обозначенные свечением светодиодов траектории движения различных его точек. Учащиеся получают наглядные образы механических движений в разных системах отсчета. Фотографии позволяют исследовать явления количественно. Показано, что такие учебные опыты способствуют формированию фундаментального понятия относительности механического движения. Они развивают физическое мышление школьников и повышают их научную грамотность.

Составлена инструкция по выполнению проектных заданий для учащихся, проведены педагогические эксперименты, которые подтвердили возможность самостоятельного изготовления учащимися приборов и целесообразность применения самодельного оборудования на уроках физики.

Выводы и направления использования полученных результатов.

1. Разработанные приборы и экспериментальные установки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к учебному оборудованию, доступны для изготовления учащимися старшей школы под руководством подготовленного учителя и могут быть рекомендованы для воспроизведения в условиях школьного кабинета физики.

2. Предлагаемая методика обеспечивает организацию внеурочной проектной деятельности учащихся по изготовлению и учебному исследованию приборов для экспериментального изучения относительности механического движения и эффективное формирование на уроках физики понятий, относящихся к принципу относительности.

1. Вараксина Е.И., Бадертдинов Л.Р. Прибор для демонстрации относительности движения на уроке и в проектной деятельности учащихся (статья) 2016.
2. Каменецкий С.Е., Пурышева Н.С. Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы (пособие) 2000.
3. Коханов К.А. Эффектная демонстрация относительности движения и покоя (научная статья) 1999.
4. Майер В.В., Вараксина Е.И., Наговицына Е.А. Дидактический ресурс ученического проекта: исследование свободного движения в поле тяжести Земли (статья) 2015.
5. Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика. 9 кл. (учебник) 2014.
6. Сысоева Б.П., Чирков А.Е. Формирование понятий системы отсчета и относительности движения (статья) 2003.
7. Шамало Т.Н. Учебный эксперимент в процессе формирования физических понятий (кн. для учителя) 1986.
8. ФГОС. http://www.edu.ru

An original technique of formation of the concept of relativity of mechanical motion when studying physics at school is proposed. The foundation of the technique is a series of educational experiments devoted to the movement of the mass centre and other points of the body in different frames of reference. The device for these experiments consists of a flexible disk. A power supply, voltage pulse generator and a switch are placed inside the disc. LEDs of different colors are attached to the disc at its geometric centre, at mass centre and at an arbitrary point. The switch allows you to turn off the power, and select continuous or strobe mode of LEDs light. Within the experiments, we rotate, roll or throw the disc. Students observe or photograph trajectory of the disc’s various points which are visualized by LEDs glow. The students receive visual images of mechanical movements in different frames of reference. The photographs allow students explore the phenomena quantitatively. Such experiments contribute to the formation of the fundamental concepts of relativity of mechanical motion, develop schoolchildren’s physical thinking and improve schoolchildren’s scientific literacy. This fact determines the urgency and practical significance of the performed research.