Методика решения задач по физике

Методика решения задач по физике

Научить учащихся решать физические задачи - одна из сложнейших педагогических проблем.

Решение и анализ задачи позволяют понять и запомнить основные законы и формулы физики, создают представление об их характерных особенностях и границах применение. Задачи развивают навык в использовании общих законов материального мира для решения конкретных вопросов, имеющих практическое и познавательное значение. Умение решать задачи является лучшим критерием оценки глубины изучения программного материала и его усвоения.

Решение задач в процессе обучения физики имеет многогранные функции:

Овладение теоретическими знаниями.

Овладение понятиями о физических явлениях и величинах.

Умственного развития, творческого мышления и специальных способностей учащихся.

Знакомит учащихся с достижениями науки и техники.

Воспитывает трудолюбие, настойчивость, волю, характер, целеустремленность.

Является средством контроля за знаниями, умениями и навыками учащихся.

В связи с этим предлагаю в своей работе некоторые рекомендации необходимые учителю по устранению проблем, связанных с решением различных задач.

Физической задачей в учебной практике обычно называют небольшую проблему, которая решается с помощью логических умозаключений, математических действий и эксперимента на основе законов и методов физики.

По существу, на занятиях по физике каждый вопрос, возникший в связи с изучением учебного материала, является для учащихся задачей. Активное целенаправленное мышление всегда есть решение задач в широком понимании этого слова.

Решение физических задач - одно из важнейших средств развития мыслительных творческих способностей учащихся. Часто на уроках проблемные ситуации создаются с помощью задач, а этим активизируется мыслительная деятельность учащихся.

Виды задач и способы их решения

Задачи по физике разнообразны по содержанию, и по дидактическим целям. Их можно классифицировать по различным признакам. По способу выражения условия физические задачи делятся на четыре основных вида: текстовые, экспериментальные, графические и задачи рисунки. Каждый из них, в свою очередь, разделяется на количественные (или расчетные) и качественные (или задачи вопросы). В то же время основные виды задач можно разделить по степени трудности на легкие и трудные, тренировочные и творческие задачи и другие типы.

В учебном процессе по физике наиболее часто используют текстовые задачи, в которых условие выражено словесно, текстуально, причем в условии есть все необходимые данные, кроме физических постоянных. По способам решения их разделяют задачи - вопросы, и расчетные (количественные).

При решении задач-вопросов требуется (без выполнения расчетов) объяснить, что то или иное физическое явление или предсказать, как оно будет протекать в определенных условиях. Как правило, в содержании таких задач отсутствуют числовые данные. Отсутствие вычислений при решении задач-вопросов позволяет сосредоточить внимание учащихся на физической сущности. Необходимость обоснования ответов на поставленные вопросы приучает школьников рассуждать, помогает глубже осознать сущность физических законов. Решение задач-вопросов выполняют, как правило, устно, за исключением тех случаев, когда задача содержит графический материал. Ответы могут быть выражены и рисунками. К задачам-вопросам тесно примыкают задачи - рисунки. В них требуется устно дать ответы на вопрос или изобразить новый рисунок, являющийся ответом на рисунок задачи. Решение таких задач способствует воспитанию у учащихся внимания, наблюдательности и развитию графической грамотности.

Количественные задачи - это задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без вычислений. При решении таких задач качественный анализ так же необходим, но его дополняют еще и количественным анализом с подсчетом тех или иных числовых характеристик процесса. Количественные задачи разделяют по трудности на простые и сложные.

Под простыми задачами понимают задачи, требующие несложного анализа, и простых вычислений, обычно в одно - две действие. Для решения количественных задач могут быть применены разные способы: алгебраический, геометрический, графический.

Эксперимент в задачах используют по разному. В одних случаях из опыта, проводимого на демонстрационном столе, или из опытов, выполняемых учащимися самостоятельно, находят данные необходимые для решения задачи. В других случаях задача может быть решена на основе данных, указанных в условиях задачи. Опыт в таких случаях используют для иллюстрации явлений и процессов, описанных в задаче, или для проверки правильности решения. Но если эксперимент применяется только для проверки решения, задачу неправомерно называть экспериментальной. Существенным признаком экспериментальных задач является то, что при их решении и данные берутся из опыта. В процессе решения экспериментальных задач у учащихся развивается наблюдательность, совершенствуются навыки обращения с приборами. При этом школьники глубже познают сущность физических явлений и законов. В графических задачах в процессе решения используют графики. По роли графиков в решении задач различают такие, ответ, на который может быть получен на основе анализа уже имеющего графика, и в которых требуется графически выразить функциональную зависимость между величинами. Решение графических задач способствует уяснению функциональной зависимости между величинами, привитию навыков работы с графиком. В этом их познавательное и политехническое знание.

Физические задачи, в условии которых не хватает данных, для их решения называют задачами с неполными данными. Недостающие данные для таких задач находят в справочниках, таблицах и в других источниках. С такими задачами учащиеся будут часто встречаться в жизни, в связи с этим решение в школе подобных задач очень ценно. Для того, чтобы проявить учащимся интерес к решению задач необходимо их умело подбирать. Содержание задач должно быть понятным и интересным, кратко и четко сформулированным. Математические операции в задаче не должны затушевывать ее физический смысл, необходимо избегать искусственности и устаревших числовых данных в условиях задач. Начинать решение задач по темам нужно с простейших, в которых внимание учащихся сосредотачивается на закономерности, изучаемой в данной теме, или на уточнении признаков нового понятия, установлении его связи с другими понятиями. Затем постепенно следует переходить к более трудным задачам.

Аналитико-синтетический метод в решении физических задач

Аналитико-синтетический метод - основной метод решения задач по физике в средней школе во всех классах. Удачное применение его в учебном процессе позволяет вести учащихся по правильному пути отыскания решения задачи, и способствует развитию их логического мышления. В методических пособиях по физике довольно часто анализ, и синтез рассматривают как два самостоятельных метода. При решении физических задач используют анализ и синтез, взятые в совокупности, т.е. практически применяют аналитико-синтетический метод. При этом методе решения путем анализа, начиная с вопроса задачи, выясняют, что необходимо знать для ее решения, и, постепенно расчленяя сложную задачу на ряд простых, доходят до известных величин, данных в условии. Затем с помощью синтеза рассуждения проводят в обратном порядке: используя известные величины, и подбирая необходимые соотношения, производят ряд действий, в результате которых находят неизвестное.

Методика решения качественных задач

Как уже было сказано выше, задачи-вопросы решают устно. Чтобы воспитать у учащихся навык сознательного подхода к решению качественных задач, нужна определенная система работы с ними учителя и продуманная методика обучения. Немалое значение имеет правильный подбор задач. Наиболее доступны на первых порах задачи, в которых предлагается дать объяснение явлением природы, или фактам, известным учащимся из личного опыта. В них учащиеся увидят связь с жизнью Решение качественных задач включает три этапа: чтение условия, анализ задачи и решение. При анализе содержание задачи используют, прежде всего, общие закономерности, известные учащимся по данной теме. После этого выясняют, как конкретно должно быть объяснено то явление, которое описано в задаче. Ответ к задаче получают как завершение проведенного анализа. В качественных задачах анализ условия тесно сливается с получением нужного обоснованного ответа.

Методика решения количественных задач

Решение сложных количественных задач на уроке складывается обычно из следующих элементов: чтения условия задачи, краткой записи условия и его повторения, выполнения рисунка, схемы или чертежа, анализа физического содержания задачи и выявления путей (способов) ее решения, составления плана решения и выполнения решения в общем виде, прикидки и вычисления, анализа результата и проверки решения.

Чтение и запись условия задачи.

Текст задачи следует учителю читать неторопливо, четко. Затем кратко записать условие и сделать чертеж или схему. Условие нужно еще раз повторить.

Проверка и оценка ответов. Полученный ответ задачи необходимо проверить. Прежде всего, нужно обратить внимание учащихся на реальность ответа. В некоторых случаях при решении задачи ученики получают результаты, явно не соответствующие условию задачи, а иногда противоречащие здравому смыслу. Происходит это от того, что в процессе вычислений они теряют связь с конкретным условием задачи. Необходимо научить школьников оценивать порядок ответа не только с математической, но и с физической точки зрения, чтобы ученики сразу видели абсурдность таких, например, ответов: КПД какого либо механизма больше ста процентов, температура воды при обычных условиях меньше 0⁰С или больше 100⁰С. Ученики должны усвоить, что правильность решения задачи можно проверить, решив ее другим способом и сопоставить результаты этих решений, а также выполнив операции с наименованиями единиц физических величин и сравнив ответ с тем наименованием, которое должно получиться в задаче

Методика решения экспериментальных задач

Методы решения экспериментальных задач в значительной мере зависит от роли эксперимента в их решении. В других типах экспериментальных задач ярко выступает их специфика, и в связи с этим методика решения, и оформления имеет свои особенности. Решение и оформление экспериментальной задачи расчетного характера складывается из следующих элементов: постановка задачи, анализ условия, измерения, расчет, опытная проверка ответа.

Требования к постановке и решению учебной физической задачи

Задача должна иметь новизну (ситуативную и содержательную), связь с практикой (в частности, с жизненным кругозором учащихся), практическую ценность, исследовательский элемент, информативную насыщенность, в работе над задачей должны использоваться методологически корректные постановка и решение, анализ полученного результата должен быть алгебраическим (функциональным), физическим, образным.

1. Новизна задачи

2. Связь с практикой

3. Исследовательский элемент задачи

4. Информативная насыщенность задачи

5. Методологически корректная постановка и решение задачи

6. Анализ полученного результата в познавательном отношении

Из этих требований вытекает, что любая учебная физическая задача (в том числе стандартная) имеет познавательный характер (в большей или меньшей степени). Чтобы полнее его раскрыть и усилить, вызвав тем самым интерес учащихся к процессу решения задачи и полученному результату, нужно выбрать подходящую методику обучения.

Роль задач в обучении физике и их место

Решение задач относится к практическим методам обучения и как составная часть обучения физике выполняет те же функции, что и обучение физике: образовательную, воспитательную, развивающую, но, опираясь на активную мыслительную деятельность ученика.

Образовательная функция задачи заключается в сообщении учащимся определённых знаний, выработке у учащихся практических умений и навыков, ознакомление их со специфическими физическими и общенаучными методами и принципами научного познания.

Решение задач, безусловно, требует активной мыслительной деятельности. Поэтому на материале задач учитель может сообщить учащимся новые знания, и даже материал, изучаемый теоретически, можно объяснить “на задаче”.

Физические задачи играют также большую роль в реализации принципа политехнизма в процессе обучения. Многие из них показывают связь физики с жизнью, техникой, производством.

Воспитательная функция задач заключается в формировании научного мировоззрения учащихся. Они позволяют проиллюстрировать многообразие явлений и объектов природы и способность человека познавать их.

Развивающая функция задачи проявляется в том, что, решая задачу, ученик включает все мыслительные процессы: внимание, восприятие, память, воображение, мышление. При решении задач развивается логическое и творческое мышление. Однако необходимо помнить, что, если при изучении новой темы:

учащемуся предлагают задачи только одного типа;

решение каждой из них сводится к одной и той же операции (операциям);

эту операцию учащемуся не приходится выбирать среди других, которые возможны в сходных ситуациях;

данные задачи не являются для учащегося непривычными;

он уверен в безошибочности своих действий,

Способы обучения решению задач

Успех обучения решению задач в значительной мере зависит от применяемой учителем: методики обучения учащиеся обобщенным пользуются методом решения или каждая частная задача решается своим методом.

Обучение учащихся умению решать задачи предполагает знание учителем различных способов обучения этому умению, из которых он может выбрать наиболее рациональный. Теория и практика обучения учащихся умению решать задачи позволяют в настоящее время выделить три основных способа.

Первый способ традиционный. Он состоит из следующих элементов:

1. Объяснение учителем подхода к решению задач данного вида; иллюстрация решения одной или двух конкретных задач.

2. Коллективное решение задач, при котором выделенный подход обсуждается со всем классом. Один учащийся решает задачу у доски, а все остальные списывают решение; при этом лишь немногие пытаются решить предлагаемые задачи самостоятельно.

3. Самостоятельное решение задач в связи с выполнением домашних заданий.

4. Самостоятельное решение задач в связи с выполнением контрольных работ.

Второй способ включает два новых элемента: полусамостоятельное и самостоятельное решение задач. Процесс обучения при этом ведется по следующей схеме:

1. Раскрытие учителем общего подхода к решению задач данного вида на примере решения одной-двух частных задач.

2. Коллективное решение небольшого количества задач с использованием общего подхода.

3. Полусамостоятельное решение задач с учетом коллективного анализа их условий и решения, а также самостоятельной" работы по реализации намеченного плана.

4. Самостоятельное решение задач, включающее самостоятельный анализ условия, его краткую запись, разработку плана решения, его реализацию, анализ ответа, проверку правильности решения.

5. Самостоятельная работа по решению задач в связи с выполнением домашних заданий.

6. Самостоятельная работа по решению задач в связи с выполнением контрольных работ.

Третий способ - алгоритмический.

Под алгоритмом понимают точное предписание для совершения некоторой последовательности элементарных действий над исходными данными любой задачи. Процесс обучения решению задач в данном случае идет в определенной последовательности.

1. Коллективное решение задач, относящихся к данному классу (множеству) задач.

2. Выдвижение проблемы поиска общего метода решения задач данного класса.

3. Отыскание учащимися (под руководством учителя) общего метода решения задач данного класса, "создание" алгоритма решения задач.

4. Усвоение структуры алгоритма и отдельных операций, из которых слагается решение, в процессе коллективного решения задач.

5. Самостоятельное решение задач, включающее самостоятельный анализ условия, выбор способа краткой записи его, применение найденного алгоритма решения к конкретной ситуации, анализ и проверка полученного решения.

6. Самостоятельная работа по решению задач в связи с выполнением домашних заданий.

7. Самостоятельная работа по решению задач в связи с выполнением контрольных работ.

Таким образом, третий способ включает деятельность учащихся (под руководством учителя) по анализу решения частных задач и выделению общего метода решения, а затем превращение его в алгоритмическое предписание, самостоятельную работу учащихся по овладению конкретным алгоритмом решения данного класса задач.

Общая для всех задач структура решения, включающая следующие этапы:

1-й этап-ознакомление с условием задачи;

2-й этап-составление плана решения задачи;

3-й этап-осуществление решения;

4-й этап-проверка правильности решения задачи.

Каждый этап осуществляется определенными действиями

Структура деятельности учителя по обучению учащихся умению решать задачи

В деятельности учителя по обучению учащихся умению решать задачи можно выделить две структурные части: теоретическую, которая включает овладение теорией, и практическую. При этом решаются такие педагогические задачи, как определение объема знаний, которые должны быть усвоены учениками под руководством учителя, состава умений, необходимых для решения задач, и последовательность формирования у учащихся умения выполнять отдельные операции.

Теоретическая подготовка учителя должна обеспечить:

1. Четкое представление о методах решения физических задач.

В методике преподавания физики выделяют аналитический, синтетический, аналитико-синтетический методы решения задач.

2. Знание способов решения задач по физике.

Под способом решения физической задачи следует понимать совокупность средств реализации того или иного метода. Имеющиеся средства решения учебных задач позволяют выделить три способа: логический, математический и экспериментальный.

Математический способ включает несколько разновидностей, которые в основном определяются отдельными разделами математики: арифметическим, алгебраическим и геометрическим.

3. Знание содержания и структуры способа решения задачи

Способ решения учебной задачи также имеет свою структуру, познанную на определенном уровне. Этой структуре надо специально обучать учащихся. Структура задачи и структура способа ее решения должны стать объектом обучения.

В структуре способа решения учебной задачи в настоящее время можно выделить четыре основных этапа: ознакомление с условиями задачи, составление плана ее решения, осуществление этого плана и проверка полученного решения.

4. Овладение общим алгоритмом решения физической задачи.

Общий алгоритм решения физической задачи определяет структуру деятельности учащихся по отысканию решения любой вычислительной задачи. Структура деятельности представляет собой реализацию основных этапов решения через определенные действия.

5. Рассмотрение алгоритма решения задач определенного класса как конкретизацию общего алгоритма для определенного раздела или темы курса физики.

6. Умение выделить в алгоритме решения задач определенного класса его структурные элементы и содержание отдельных действий.

Учителю необходимо уметь анализировать и оценивать различные учебные алгоритмы.

7. Умение верно определять рациональный способ введения алгоритма в учебный процесс.

Практическая часть деятельности по обучению учащихся умению решать задачи включает следующие элементы:

1. Вооружение учащихся знанием содержания и общей структуры задач, а также задач различных видов их классификацией;

2. Вооружение учащихся знанием структуры процесса решения учебной задачи;

3. Обучение учащихся общей структуре решения физических задач;

4. Обучение учащихся особенностям решения задач различных видов (вычислительных, логических, экспериментальных, графических, задач-рисунков);

5. "Выработка" алгоритмов решения задач по конкретным темам и на их основе формулирование общего алгоритма решения учебных задач;

6. Проведение специальной работы по усвоению учащимися структуры алгоритма, раскрытие перед ними содержания отдельных действий;

7. Определение последовательности решения задач по конкретной теме, чтобы в процессе решения первых задач отрабатывались конкретные операции, а затем осуществлялось свертывание их в обобщенные действия;

8. Обеспечение реализации учащимися всех этапов решения задач в процессе решения.

Общий алгоритм решения задач

1. Внимательно прочитайте условие задачи и уясните основной вопрос; представьте процессы и явления, описанные в задаче.

2. Повторно прочитайте содержание задачи для того, чтобы четко представить основной вопрос задачи, цель решения ее, заданные величины, опираясь на которые можно вести поиски решения.

3. Произведите краткую запись условия задачи с помощью общепринятых буквенных обозначений.

4. Выполните рисунок или чертеж к задаче.

5. Определите, каким методом будет решаться задача; составьте план ее решения.

6. Запишите основные уравнения, описывающие процессы, предложенные задачной системой.

7. Найдите решение в общем виде, выразив искомые величины через заданные.

8. Проверьте правильность решения задачи в общем виде, произведя действия с наименованиями величин.

9. Произведите вычисления с заданной точностью.

10. Произведите оценку реальности полученного решения.

11. Запишите ответ.

Критерии и уровни сформированности умения решать задачи по физике

Зная критерии и уровни сформированности умения решать задачи, можно оценить знания и умения учащихся, а также методику, применяемую учителем при обучении. С другой стороны, это позволяет определять и научно обосновывать содержание соответствующих этапов обучения, на которых формируется умение до заданного уровня. Определение верхнего (высшего) уровня необходимо для осознанной, целенаправленной работы учителя по формированию умения до заданного уровня, видение перспективы в развитии данного умения.

Основные критерии сформированности умения решать физические задачи:

1. Знание основных операций, из которых складывается процесс решения задач, и умение их выполнять.

2. Усвоение структуры совокупности операций.

3. Перенос усвоенного метода решения задач по одному разделу на решение задач по другим разделам и предметам.

Уровень сформированности

Первый уровень: умение анализировать условие и кодировать его

1. Краткая запись условия задачи

2. Выполнение рисунка, чертежа по описанию условия задачи

3. Оформление процесса решения задачи

4. Анализ условия задачи с выделением явлений, процессов или свойств тел, описанных в ней

5. Математическая запись соответствующего закона или уравнения

6. Решение записанного уравнения относительно неизвестного

7. Выполнение действия с наименованными числами

8. Осуществление преобразований единиц измерения величин

Второй уровень: умение решать, задачи различных видов владение отдельными операциями, общими для большого класса задач

1. Применение вышеназванных операций для решения задач различных видов

2. Овладение методами решения некоторых классов задач (расчет теплоты на основе закона сохранения и превращения энергии, расчет электрических цепей)

3. Осуществление проверки полученных результатов при решении задач методом сравнения с табличными данными, значениями физических постоянных; оценка достоверности полученного ответа; решение задачи другим способом

Третий уровень: овладение системой способов и методов решения задач, алгоритмами решения задач по конкретным темам

1. Осуществление анализа задачи с выделением ее структурных элементов и этапов решения

2. Усвоение особенностей различных способов решения физических задач

3. Построение алгоритмов решения задач по конкретным темам и разделам на основе выделенной структуры процесса решения задач

4. Осуществление самоконтроля за процессом решения задач

Четвертый уровень: овладение общим алгоритмом решения физических задач

1. Осуществление анализа условия задачи с выделением задачей системы, явлений и процессов, описанных в задаче, с определением условий их протекания

2. Осуществление кодирования условия задачи и процесса решения на различных уровнях:

а) краткая запись условия задачи;

б) выполнение рисунков, электрических схем;

в) выполнение чертежей, графиков, векторных диаграмм;

г) запись уравнения (системы уравнений) или построение логического умозаключения

3. Выделение соответствующего метода и способов решения конкретной задачи

4. Применение общего алгоритма для решения задач различных видов

Пятый уровень: умение переноса структуры деятельности по решению физических задач на решение задач по другим предметам

1. Выделение структуры любой учебной задачи и процесса ее решения

2. Определение метода и способов решения учебной задачи

3. Выделение особенностей решения задачи конкретного предмета

Наблюдения за деятельностью учащихся, изучение их знаний о методах решения задач на основе анализа письменных работ позволяют предположить, что усвоение общих методов идет путем усвоения содержания отдельных операций, из которых складывается деятельность учащихся. На основе сравнения методов решения в различных классах, применяемых учащимися, можно судить о том, как происходит свертывание операций в определенную структуру, познание самой структуры.

Способы записи условия задачи: