Выдвижение гипотез в различных видах физического эксперимента

Физический эксперимент позволяет учащимся не только получать знания о процессах и явлениях, но и проверять эти знания опытным путём. Для этого необходимо построить план исследования, в котором выдвигается гипотеза, а затем проводится её экспериментальная проверка [4]. Гипотезы применяют как при демонстрационном эксперименте, т.е. при изложении нового материала, так и при проведении фронтальных лабораторных работах или физического практикума.

Объясняя новую тему, можно использовать следующую последовательность: постановка вопроса – выдвижение гипотезы – планирование и проведение опыта – формулировка вывода, из которого вытекает подтверждение или опровержение гипотезы. Либо сначала проводится демонстрационный опыт, в результате которого возникает некая проблема. Для разрешения этой проблемы перед учащимися встаёт необходимость выдвинуть одну или несколько гипотез, чтобы попытаться объяснить суть физического процесса. Далее, с помощью вновь спланированного опыта, проводится экспериментальная проверка.

Рассмотрим это на конкретных примерах. Поле того как изучено понятие сопротивления через формулу закона Ома, можно поставить вопрос: «От чего зависит сопротивление проводника?» В процессе обсуждения, опираясь на уже полученные ранее знания, учащиеся постепенно подходят к той мысли, что на сопротивление проводника влияет количество свободных электронов, которые взаимодействуют с ионами кристаллической решётки вещества [3]. Следующим этапом является выдвижение учащимися гипотез, предполагающих установление зависимости сопротивления от параметров проводника (его длины, площади сечения и материала, из которого изготовлен проводник). Затем, обучающиеся сами планируют проведение опыта и осуществляют его, на основании чего делают выводы, опровергающие или подтверждающие их гипотезы.

Приступая к изучению явления электромагнитной индукции, в первую очередь следует поставить опыт, в котором катушка соединена только с гальванометром. Учащиеся наблюдают, что при внесении магнита в катушку, стрелка гальванометра отклоняется. Они удивлены происходящим, так как считают, что электрический ток может возникать в цепи только от источника тока, который в данном опыте отсутствует. Таким образом в ходе дискуссии встаёт проблема возникновения тока в катушке. Далее учащиеся делают предположение, что переменное магнитное поле вызывает протекание электрического тока. Данная гипотеза проходит экспериментальную проверка, где магнитное поле постоянно или изменяется при перемещении катушки, при увеличении или уменьшении силы тока в цепи, либо при замыкании и размыкании ключа [3]. Если бы сначала была изучена теория, а затем показан опыт в подтверждение теории, эффект от увиденного был бы менее значителен. Аналогично можно изучать явление самоиндукции, фазовые превращения, правило Ленца, фотоэффект и т.д.

Выполнение лабораторных работ с использованием гипотез осуществляется по следующей логической схеме. Для начала учащиеся должны повторить изученную тему, по которой они собираются выполнять лабораторную работу, после чего предлагается сформулировать цель работы. Чтобы заранее предопределить, как правильнее провести опыт и избежать случайных ошибок и лишних операций, нужно чётко сформулировать гипотезу о возможных соотношениях, которая задаёт точное направление протекания эксперимента. Потом из предложенного оборудования учащимся нужно выбрать необходимые приборы для проведения  лабораторной работы. Затем обучающиеся должны самостоятельно спланировать ход работы, реализовать эксперимент, проанализировать результаты наблюдений и расчётов, осуществить подбор формул, сравнить необходимые измерения и сделать соответствующие выводы, на основании которых подтвердить или отвергнуть гипотезу. Возможна также коррекция или уточнение гипотезы, после чего потребуется вновь провести серию опытов, чтобы получить новые более достоверные результаты. Все действия, наблюдения и измерения фиксируются в специальной таблице. Кроме того учащиеся должны учесть какие именно физические величины им необходимо измерить, а какие они должны рассчитать при помощи формул. К таким лабораторным работам всегда прилагаются обязательные для выполнения дополнительные задания исследовательского характера.

Более упрощённый вариант подобных лабораторных работ предполагает либо готовую цель к работе, либо наличие пропусков для заполнения в цели, в таблице для измерений, в ходе работы. Также возможна подсказка в формулировке гипотезы, в которой говорится между какими физическими величинами возможно установить соотношения, но не уточняется как именно они взаимосвязаны. Такие адаптированные под слабых учеников лабораторные работы содержат план выполнения, форму отчёта, однако в них отсутствуют расчётные формулы и подробное описание способов измерения физических величин.

Приведём пример темы лабораторной работы «Сравнение количества теплоты при смешивании воды разной температуры». В формулировке цели учащимся предлагается заполнить пропуски: экспериментально определить количество теплоты, отданное … и полученное … в процессе …, и объяснить полученные результаты. Далее требуется сформулировать гипотезу о возможных соотношениях количеств теплоты. Из предложенных приборов выбрать необходимые: измерительный цилиндр (мензурка), штатив, калориметр, секундомер, весы с разновесами, термометр, стакан, рычаг, линейка, блок. В задании сказано рассчитать количество теплоты, отданное … и полученное … в процессе … и сравнить количества теплоты [5]. К лабораторной работе по измерению удельной теплоёмкости твёрдого тела калориметрическим способом, учащиеся должны самостоятельно сформулировать цель работы и гипотезу, прилагается только ряд заданий, приводящих к получению математического выражения для расчёта удельной теплоёмкости твёрдого тела [6].

Широкие возможности для организации самостоятельных экспериментов учащихся имеет «Тетрадь для экспериментальных исследований учащихся 10 классов» (авторы – Н.И. Запрудский, А.Л. Карпук). В зависимости от способностей предлагается два варианта проведения – самостоятельно с использованием общих рекомендаций по планированию и проведению эксперимента - вариант А или в соответствии с предложенными в варианте Б пошаговыми действиями. Выбор дополнительных экспериментальных исследований и задач дает возможность реализовать интересы учащихся [1;2]. Уровень А – открытое задание, когда даны самые общие рекомендации по выполнению исследования; уровень Б – дана полная ориентировочная основа деятельности. Такая вариативность дает возможность каждому учащемуся выбрать посильный уровень, реализовать себя в деятельности и ощутить личный успех. По мере овладения исследовательскими процедурами все большее количество учеников, как показывает опыт, предпочитают первый вариант выполнения исследовательских действий. Учитель может предложить ученикам свои ориентировочные основы деятельности или организовать работу по готовым тетрадям. Для формирования у учащихся всех элементов учебного исследования: наблюдения, фиксации результатов, проведения измерений и математической обработки полученных результатов, перед началом проведения каждого эксперимента учащимся предлагается эвристическое предписание «Учусь ставить эксперимент», а перед наблюдением эвристическое предписание «Учусь наблюдать» [1;2]. Они подсказывают учащимся, что нужно сделать (но не как) намечают направление движения вперед.

Таким образом, использование гипотез в физическом эксперименте даёт возможность учащимся овладевать навыками исследовательской деятельности, которая способствует развитию творческих способностей, познавательной активности и самостоятельности.

Оригинал публикации (Читать работу полностью): Выдвижение гипотез в различных видах физического эксперимента