Методика преподавания физики твердого тела

5. Анализ истории развития понятия в связи с историей общества;

6. Выявление роли и значения данного понятия в понятийном аппарате рассматриваемой физической теории;

7. Анализ методологического понятия в свете идей эволюции физической картины мира.

Актуальной задачей нашего времени является воспитание всесторонне творчески развитой личности, способной осознавать глубокие взаимосвязи в окружающем мире и подходить к решению частных задач с введением возможных последствий.

1.При изложении темы должны помнить о сочетание наук и искусств. При этом важна естественность такого сочетания. Последнее достигается, если при изложении материала учитывать множественность проявлений одного и того же явления и пользоваться основными положениями теории познания, то есть вначале встретиться и наблюдать явление, далее изучать его и строить теоретические модели и, наконец, применять.

С учетом выше изложенного целесообразно организовать встречу с изучаемым явлением на проявлениях, отображенных в творениях лучших мастеров искусств. При введении в тему «Твердое тело» можно использовать слайды живописных картин Рериха, Сарьянова и др., скульптур Родена, Щадрина и т. д., использовав ЭВМ и ТСО с помощью которых организуется встреча с изучаемым явлением.

О твердом теле, как об устойчивом состоянии очень хорошо расскажут прекрасные древнегреческие скульптуры, созданные более 2.5 тысяч лет тому назад и с честью выдержавшие испытание временем.

7.Изложение теоретического материала, как правило, сложнее связать с искусством, однако, в данном случае, помогает ведение в историю решения вопроса. Так, вопросы кинематики и динамики твердого тела решались еще во времена древней Греции, эпохи Возрождения и др. и дух этих времен легко ощущается в музыке, в картинах (например, Леонардо да Винчи).

3.Показ применений изученных явлений, отображенных в произведениях искусств, заставляет школьников и студентов не только приобщаться к творчеству, но и более внимательно вглядываться в окружающий мир, замечать его красоту и многообразие.

4.Применение теоретических выводов, зачастую, столь многообразно, что не составляет труда найти живописные произведения, в которых они были бы представлены (знания о строении твердого тела, а так же законы кинематики и динамики твердого тела используются при строительстве храмов, космических сооружений, что отображено в творчестве).

2.Существенную помощь при подобном изложении материала оказывает современные технические средства обучения и электронно-вычислительная техника, без которых невозможно в течение короткого времени совместить искусство и науку.

2.При объяснении изучаемого материала, все используемые учителем-педагогом рисунки расположены на компьютере. Каждое изображение имеет свой номер и расположены в той последовательности, в которой они «появляются» во время изложения темы. При возможности можно показать виды деформаций твердых тел с опорой на программу «Открытая физика 2.5.» после беседы и обсуждения о древних кузнецах-булатах. Пользуясь программой «Физика в картинках» можно показать удивительные картины, которые вызывают восторг у учащихся.

1.Многообразие используемого дидактического материала, которым необходимо оперативно пользоваться требует применения всех видов ТСО, объединенных в единую систему.

5.Одним из средств, усиливающих воспитательное значение физики, является использование исторического материала в преподавании этой темы. При этом можно отметить следующее; знакомство наряду с физическими явлениями с исторической обстановкой, их установления обогащает знания учащихся, делает их более осмысленными, вызывает больший интерес к изучаемому, чем создается почва для понимания данной темы. Представление о красоте науки создает объективную основу для формирования восприятия знаний.

1.Для четкой работы такой системы должен тщательно, разрабатывается сценарий урока, алгоритм работы вспомогательного персонала, обслуживающего ТСО, и подобный конспект по теме для каждого школьника и студента, так как каждый урок фактически превращается в урок - спектакль.

Опыт показывает, что подготовка к таким занятиям длительна (20-30часов) и трудоемка, однако это оправдывается глубиной усвоения темы и широтой взглядов на мир.

Но за счет изложения темы, таким образом, остается резервное время для изучения других тем, воспитывая у школьников и студентов высокую нравственность, способствует формированию эстетических взглядов и вкусов. Как показывает практика, после организационно-психологического момента, необходимо осуществить мотивацию учебной деятельности, от которой зависит весь ход урока.

Реализовать начало урока по теме «твердое тело» можно с задания учащимся выделить из группы слов лишнее: лед, вода, чугун (вода). Таким образом, учитель вводит ребят в новый мир науки, знакомя с новой темой «Твердое тело». При изложении темы должны помнить о сочетание наук и искусств. При этом важна естественность такого сочетания. Последнее достигается, если при изложении материала учитывать множественность проявлений одного и того же явления и пользоваться основными положениями теории познания, то есть вначале встретиться и наблюдать явление. С учетом выше изложенного целесообразно организовать встречу с изучаемым явлением на проявлениях, отображенных в творениях лучших мастеров искусств. При введении в тему «Твердое тело» можно использовать слайды живописных картин Рериха, Сарьянова и др., скульптур Родена, Щадрина и т. д., использовав ЭВМ и ТСО с помощью которых организуется встреча с изучаемым явлением.

О твердом теле, как об устойчивом состоянии очень хорошо расскажут прекрасные древнегреческие скульптуры, созданные более 2.5 тысяч лет тому назад и с честью выдержавшие испытание временем.

К понятию твердого тела могут следующие примеры:

Мы живем на поверхности земли твердого тела – земного шара, в сооружениях, построенных из твердых тел, – домах. Орудия труда, машины также сделаны из твердых тел. Благодаря рисункам в пещерах мы можем узнать о прошлом. Памятники архитектуры, скульптуры также, изготовленные из различных видов твердого тела. Знать свойства твердых тел жизненно необходимо, каждому человеку независимо от вида профессии [26].

Рассказ о твердом теле можно продолжить с организации диалога:

Что вам известно о твердом теле из ранее изученного материала?

Как вы думаете, из чего состоят твердые тела?

Все эти вопросы задавали себе еще наши далекие предки (рис. 2).

Изложение материала учителем ведется с опорой на иллюстрацию (рис.2), которая наглядно позволяет понять, что твердое тело в частности железо в руках кузнеца легко меняет свою форму

X – середина XIII века. На Руси железо было известно еще ранним славянам. Самый старый метод обработки металла – это ковка. Сначала древние люди били колотушками губчатое железо в холодном состоянии, чтобы «выжать из него соки», т.е. удалить примеси. Затем они догадались нагревать металл и придавать ему нужную форму. В X – XI веках благодаря развитию металлургии и других ремесел у славян появились соха и плуг с железным лемехом. Трудоемкость процесса выделила кузнецов из общины и сделала из них первых ремесленников. Письменные источники не сохранили до нас технику ковки и основные технические приемы древнерусских кузнецов. Но исследование старинных кованых изделий позволяет историкам говорить о том, что древнерусским кузнецам были известны все важнейшие технические приемы: сварка, пробивание отверстий, кручение, клепка пластин, наваривание стальных лезвий и закалка стали. Мастера производили сварку железа, нагревая его до температуры 1500 град С, достижение которой определяли по искрам раскаленного добела металла. Зубилом пробивали отверстия в ушках для ушатов, лемехах для сох, мотыгах. Пробойником делали отверстия в ножницах, клещах, ключах, лодочных заклепках, на копьях (для скрепления с древком), на оковках лопат. Необходимо было держать клещами раскаленный кусок железа, что при небольших размерах тогдашних наковален было нелегко, держать и направлять зубило, бить по зубилу молотом. Железные котлы делали из нескольких больших пластин, края которых склепывались железными заклепками. Операция кручения железа применялась для создания винтов из четырехгранных стержней. Приведенный выше ассортимент кузнечных изделий исчерпывает весь крестьянский инвентарь, необходимых для постройки дома, сельского хозяйства, охоты и обороны. Древнерусские кузнецы X-XIII вв. владели всеми основными техническими приемами обработки железа и на целые столетия определили технический уровень деревенских кузниц. Древнерусские топоры претерпели значительное изменение и к X-XIII вв. обрели форму, близкую к современной. При раскопках древнерусских городов оказалось, что почти каждый городской дом был жилищем ремесленника. С начала существования Киевского государства они проявляли высокое мастерство ковки из железа и стали самых различных предметов – от тяжелого лемеха и шлема с узорчатым железным кружевом до тонких игл; стрел и клепаных миниатюрными заклепками кольчужных колец; оружие и бытовой инвентарь из курганов IX-X вв. Помимо кузнечного ремесла они владели слесарным и оружейным делом.

 Начиная с IX-X вв. русские мастера для обработки железа применяли напильники. При помощи этого разнообразного инструмента, не отличающегося от оборудования современных кузниц, русские мастера готовили множество различных вещей: сельскохозяйственные орудия; инструменты для ремесленников; бытовые предметы; оружие, доспехи и сбруя. Культура растет, охватывая новые области и изобретая новые технические приемы [22].

Обобщая и систематизируя знания учащихся, учитель задает вопрос, переходя ко второй части поэтапного обучения:

Приведите примеры деформаций растяжения и сдвига?

При объяснении изучаемого материала, все используемые учителем-педагогом рисунки расположены на компьютере. Каждое изображение имеет свой номер и расположены в той последовательности, в которой они «появляются» во время изложения темы. При возможности можно показать виды деформаций твердых тел с опорой на программу «Открытая физика 2.5.» после беседы и обсуждения о древних кузнецах-булатах. В программе «Открытая физика 2.5» приводятся все необходимые изучаемые формулы, что позволяет повысить уровень понимания и запомнить эффективнее материал.

Объясняя тему, учитель должен плавно перейти от исторических знаний к современным научным знаниям. Для этого учитель обращается к графику кривой охлаждения железа. График позволяет проследить все шаги и охарактеризовать фазовые переходы [3].

Все тела преимущественно находятся в кристаллическом состоянии, а значит, имеют кристаллическую решетку. Например, крупинка поваренной соли имеет плоские грани, составляющие друг другу прямые углы.

На этом этапе эффективно задать вопрос следующего характера:

Что вы можете сказать о снежинках?

Например, кусок слюды (рис. 1) легко расслаивается в одном направлении на тонкие пластинки, а также расслаивается в одном направлении кристалл графита.

Рис.1

Следует помнить, что частицы в кристаллах плотно упакованы, так что расстояние между их центрами приблизительно равно размеру частиц. В изображении кристаллических решеток указывается только положение центров частиц.

В кристаллических телах частицы располагаются в строгом порядке, образуя пространственные периодически повторяющиеся структуры во всем объеме тела. Для наглядного представления таких структур используются пространственные кристаллические решетки, в узлах которых располагаются центры атомов или молекул данного вещества. Чаще всего кристаллическая решетка строится из ионов (положительно и отрицательно заряженных) атомов, которые входят в состав молекулы данного вещества. Например, решетка поваренной соли содержит ионы Na⁺ и Cl^–, не объединенные попарно в молекулы NaCl. Такие кристаллы называются ионными [21].

Кристаллические решетки металлов часто имеют форму шестигранной призмы (цинк, магний), гранецентрированного куба (медь, золото) или объемно центрированного куба (железо).

Кристаллические структуры металлов имеют важную особенность. Положительно заряженные ионы металла, образующие кристаллическую решетку, удерживаются вблизи положений равновесия силами взаимодействия с «газом свободных электронов». Электронный газ образуется за счет одного или нескольких электронов, отданных каждым атомом. Свободные электроны способны блуждать по всему объему кристалла.

Третий этап

Урок, разработанный в контексте мировой культуры, позволяет учителю построить так структуру урока, что домашнее задание служит глубоким пониманием нового материала. Методика проверки может быть самой разнообразной.

Проверка домашнего задания. Опыт в домашних условиях.

Вам понадобятся кусок пластилина, стеариновая свеча и электрокамин. Поставьте пластилин и свечу на равных расстояниях от камина.

По прошествии некоторого времени часть стеарина расплавится (станет жидкостью), а часть – останется в виде твердого кусочка. Пластилин за то же время лишь немного размягчится. Еще через некоторое время весь стеарин расплавится, а пластилин – постепенно "разъедется" по поверхности стола, все более и более размягчаясь.

Учащиеся приходят самостоятельно к выводу, существуют тела, которые при плавлении не размягчаются, а из твердого состояния превращаются сразу в жидкость. Во время плавления таких тел всегда можно отделить жидкость от еще не расплавившейся (твердой) части тела. Эти тела – кристаллические. Существуют также твердые тела, которые при нагревании постепенно размягчаются, становятся все более текучими. Для таких тел невозможно указать температуру, при которой они превращаются в жидкость (плавятся). Примерами аморфных тел могут служить стекло, (рис. 11), различные затвердевшие смолы (янтарь), пластики и т.д.

Следующий этап демонстрация опыта.

В стеклянную воронку бросим кусок смолы или воска и оставим в теплой комнате. По прошествии примерно месяца окажется, что воск принял форму воронки и даже начал вытекать из нее в виде "струи" (учитель показывает заранее полученный результат выполненный им месяц назад). В противоположность кристаллам, которые почти вечно сохраняют собственную форму, аморфные тела даже при невысоких температурах обладают текучестью. Поэтому их можно рассматривать как очень густые и вязкие жидкости [2].

Никак нельзя обойтись без объяснения кристаллизации аморфных тел. Кристаллические тела могут быть монокристаллами, например, сера и поликристаллами.

Поликристаллические тел состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Одиночные кристаллы называют монокристаллами.

Следует объяснить, что с течением времени (несколько месяцев, лет) аморфные вещества самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние. Например, сахарные леденцы или свежий мед, оставленные в покое в теплом месте, через несколько месяцев становятся непрозрачными. Говорят, что мед и леденцы "засахарились". Разломив леденец или зачерпнув мед ложкой, мы действительно увидим образовавшиеся кристаллики сахара.

Частицы аморфных тел непрерывно и беспорядочно колеблются. Они чаще, чем частицы кристаллов могут перескакивать с места на место. Этому способствует и то, что частицы аморфных тел расположены неодинаково плотно: между ними имеются пустоты.

Самопроизвольная кристаллизация аморфных тел свидетельствует, что кристаллическое состояние вещества является более устойчивым, чем аморфное. МКТ объясняет это так. Межмолекулярные силы притяжения-отталкивания заставляют частицы аморфного тела перескакивать преимущественно туда, где имеются пустоты. В результате возникает более упорядоченное, чем прежде расположение частиц, то есть образуется поликристалл, например, сахар. Кристаллические тела могут быть монокристаллами и поликристаллами. Поликристаллические тела состоят из многих сросшихся между собой хаотически ориентированных маленьких кристалликов, которые называются кристаллитами. Большие монокристаллы редко встречаются в природе и технике. Чаще всего кристаллические твердые тела, в том числе и те, которые получаются искусственно, являются поликристаллами.

Таким образом, учитель подводит учащихся к механическим свойствам твердого тела в частности железа. Для этого учитель обращается снова к рис. 4, объясняя изменения формы кристалла железа (четвертый этап).

Изучая структуру кристалла железа, ученые установили, что железо a – типа очень прочное и нехрупкое, такое железо называют аустенитное. Еще над этим озадачились древние кузнецы. Путем опыта кузнецы со временем получили железо со свойствами аустенитного железа. Чтобы получить такое железо при температуре 20°С, ученые предложили метод термообработки. Следующий этап – снять внутреннее напряжение (отпуск) осуществляется с помощью отжига.

Подводя итоги занятия, учитель сообщает, что вокруг нас находится множество твердых тел как природного происхождения, различные сплавы веществ, которые делятся на жаропрочные, с электропроводимостью, выдерживающие огромное давление сторонних тел. Благодаря таким знаниям человечество изобретает множество тел, которые имеют способность не только находиться на поверхности земли, но над ней (самолеты, вертолеты, здания и т.д.).

Не оставляют равнодушными студентов и школьников изделия художественного литья, слайды архитектуры старинных русских городов, ювелирных изделий, космической техники и др. при окончании изучения темы «Твердое тело».

5. Анализ истории развития понятия в связи с историей общества;

6. Выявление роли и значения данного понятия в понятийном аппарате рассматриваемой физической теории;

7. Анализ методологического понятия в свете идей эволюции физической картины мира.

Опыт показывает, что подготовка к таким занятиям длительна (20-30 часов) и трудоемка, однако это оправдывается глубиной усвоения темы и широтой взглядов на мир.

С помощью предложенной концепции поэтапного обучения физики укладываемся в один урок теоретический урок и проведение лабораторной работы – второй урок. Таким образом, остается резервное время для изучения других тем следующего раздела.

Подводя итоги урока, учитель-педагог дает учащимся разработать творческое задание для будущих учеников. При разработке учащиеся не только закрепляют полученные знания, но и развиваются как творческая личность, оказывая большую помощь учителю при разработке методического материала к уроку.

Заключение

Физика как наука имеет не только специальный, но и общечеловеческий, то есть культурный мировой аспект. Курс «Физика в контексте мировой культуры» предполагает осуществление системы мер, направленных на приоритетное развитие общекультурных компонентов в содержании образования и таким образом на формирование зрелой личности образования.

В данной дипломной работы проведен литературный обзор по поставленной проблеме. Согласно исследованиям по вопросам гуманитаризации и гуманизации сделан вывод, что с целью стимулирования творческой активности учащихся при изучения физики, необходимо делать акцент на методологически-мировоззренческие принципы и излагать при этом физику без отрыва от общекультурных ценностей (философии, истории, техники, искусства), указывать на её место в общемировой культуре. Показано также, что на уроках по физике следует подчеркивать показывать решающие влияние на научно-технический прогресс, на то что физика оказывает существенное влияние и на все стороны жизни общества, в частности на человеческую культуру. Однако в данном случае мы имеем в виду не это опосредствованное влияние физики на культуру, а влияние непосредственное, позволяющее говорить о самой физике как о компоненте культуры. Иными словами, речь идет о гуманитаризованном содержании самого предмета физики, которое связано с развитием мышления, формированием мировоззрения, воспитанием чувств. Имеется в виду органическая связь физики с развитием общественного сознания, с воспитанием определенного отношения к окружающему миру.

Во второй главе дипломной работе разработана последовательность педагогических действий, которые необходимо выполнять при обучении физике мировой культуры, а так же приведен нетрадиционный урок по физической теме, реализованный в соответствии предложенной концепцией.

Хотелось бы отметить что курс «Физика в контексте мировой культуры» может быть использован не только как отдельная дисциплина, но служить опорой для построения нетрадиционных уроков в школе и насыщенными лекциями в вузах. Данный курс предусмотрен как для гуманитарного, так и естественнонаучного профилей школы.

Серьезным моментом в освоении научно-культурного материала учениками становится подготовка ими творческих работ по избранной теме.

Опыт исследования и преподавания свидетельствует: сочетание гуманитарного процесса на уроках с усвоением научно-культурных знаний на факультативных занятиях и личным проникновением в существо заинтересовавшего учащегося вопроса при выполнении им творческой работы дает ему немало для понимания физики важного элемента мировой и собственно культуры [13].