О решении задач по физике методом исследования ключевых ситуаций (МИКС): возможности, преимущества и недостатки

Под физической задачей обычно понимается небольшая проблема, для разрешения которой применяются логические умозаключения, математические действия и эксперимент в соответствии с законами и принципами физики. На уроках физики каждый вопрос, рассматриваемый в рамках изучения учебного материала, является учебной задачей. В процессе решения физических задач развиваются мыслительные и творческие способности учащихся. Создание проблемных ситуаций, активизирующих мыслительную деятельность обучающихся, чаще всего происходит путем постановки и решения задач.

Ценностное содержание задачи определяется, прежде всего, той физической составляющей, которую она содержит. Поэтому особое внимание следует уделять тем задачам, в которых дано описание классических фундаментальных опытов и открытий. В курсе школьной физики предусмотрено решение большого количества задач. Соответственно, в 7–11 классах обучающиеся должны усвоить и научиться применять около 170 физических формул [Гусева, Микерова 2024].

Кроме того, успешное решение физических задач невозможно без использования математических знаний. В подавляющем большинстве задач требуются вычисления, составление и решение уравнений, анализ зависимостей и т.д. Поэтому физические задачи являются эффективным средством обучения учащихся межпредметным связям физики и математики. Не углубляясь в детали, отметим, что задачи по физике можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим характеристики некоторых из них, встречающихся в заданиях ОГЭ и ЕГЭ по физике. 1. Качественные задачи.

Они нашли широкое применение при проведении устных опросов. С их помощью учитель получает возможность за короткое время выяснить степень усвоения физической сущности рассматриваемого явления. Успешное решение качественных задач – яркое свидетельство уровня осознанности полученных знаний.

По типу условия качественные задачи подразделяются на три категории: словесные, графические и экспериментальные. Вопрос в качественной задаче формулируется так, что готового ответа нельзя найти в учебнике. Поиск ответа учащимся предполагает осуществление синтеза данных условия задачи и моделирования физических процессов или явлений. 2. Вычислительные (количественные) задачи.

Вычислительными называются задачи, результат решения которых достигается на основе применения вычислений и математических операций. Существует немало способов решения таких задач. Однако процесс решения всех задач этого типа, желательно разбить на следующие основные этапы:

– чтение текста и анализ условия физической задачи; – определение незнакомых понятий, терминов, выражений; – краткая запись условия задачи с помощью математических символов и общепринятых обозначений; перевод численных величин в единицы СИ; – графическое изображение условия задачи; – уточнение основного вопроса задачи; – уточнение набора данных, необходимых для решения задачи; – определение формул и математических выражений, выражающих связь искомой величины с заданными параметрами в условии задачи; – получение расчетной формулы; – проверка этой формулы методом размерности, подстановка числовых значений и выполнение вычислительных операций; – анализ решения, обобщение результатов.

3. Экспериментальные задачи.

Характерная особенность задач этого типа – использование лабораторного оборудования. Их решение связано с проведением прямых измерений с помощью стандартных измерительных приборов. В таких задачах оцениваются такие компетенции, как, например, правильно включить прибор или собрать установку, определить цену деления прибора, правильно снять показания прибора и т.д.

Практика общения с педагогами на курсах повышения квалификации, а также опыт посещения учебных занятий в школе показывает, что решение задач по физике связано с серьезными затруднениями не только для обучающихся, но и учителей. Это приводит к устойчивой тенденции снижения числа участников ЕГЭ по физике в целом по стране [Насипов, Калибатова 2024].

По мнению специалистов, учителей и выпускников школ, ЕГЭ по физике признается наиболее сложным для сдачи альтернативным экзаменом при государственной итоговой аттестации [Вяхирева 2024]. Как правило, физическая задача трудно воспринимается обучающимися, они не в состоянии мысленно представлять условие задачи и решать ее. Школьники иногда не понимают смысла физических формул, законов, не способны применять теоретические знания на практике.

Некоторым школьникам очень сложно приступить к решению задачи, математически правильно записывать имеющиеся данные, использовать графические элементы, увидеть наличие скрытых данных. Все это приводит к различным затруднениям в процессе подготовки обучающихся к государственной итоговой аттестации по физике как основной, так и старшей школы (ОГЭ и ЕГЭ). Эти сложности не способствуют повышению мотивации к изучению такой интересной научной области, как физика [Сабирова, Имамова 2021].

Цель настоящей статьи заключается в том, чтобы рассмотреть один из путей решения обозначенной проблемы – как сформировать необходимые компетенции у школьников и вернуть интерес к изучению физики. В качестве эффективного метода ее решения, на наш взгляд, выступает так называемый метод исследования ключевых ситуаций (МИКС). Термин «ключевая задача» впервые был использован в своих исследованиях Р.Г. Хазанкиным [Хазанкин 1987; Хазанкин 1991]. Затем, методику ключевых задач стал применять в математике Н.И. Зильберберг [Зильберберг 1996], а позже в физике Л.Э. Генденштейн [Генденштейн 2009]. Здесь уместно обратить внимание на то, что инициатива выделения ключевых ситуаций в учебных предметах принадлежит известному ученому В.В. Давыдову [Давыдов 1972].

Метод исследования ключевых ситуаций до настоящего времени остается одним из эффективных методов обучения. Кратко, суть метода состоит к сведению большого многообразия задач курса физики к ограниченному (несколько десятков) количеству учебных ситуаций. По мнению Ф.М. Сабировой и А.М. Имамовой, «ключевые ситуации выделяются не в форме правил, вопросов или задач – это именно ситуации встречи ученика с новым, интересным, удивительным, загадочным идеальным объектом. Это ситуации потенциальной возможности правила, вопроса, учебной задачи, проблемы, парадокса» [Сабирова, Имамова 2021: 135].

Перед тем, как перейдем к использованию МИКС при изучении конкретных тем, дадим научное обоснование этого метода. Когда мы утверждаем, что физика один из самых сложных и труднопонимаемых школьных предметов, не всегда уточняем, с чем же это связано. Попробуем выделить основные факторы, которые определяют сложность восприятия и понимания сути учебного материала по физике среднестатистическим школьником.

1. Абстрактные физические концепции.

Курс физики содержит много абстрактных концепций (гравитация, время, электромагнитное поле, атомная структура, температура, квантование и т.д.), которые не имеют прямой аналогии в повседневной жизни. Абстрактность и отдаленность этих теорий от обычно наблюдаемых явлений затрудняет понимание их сути и возможностей практического применения. 2. Математические модели.

Физические теории, законы, принципы формулируются и описываются на математическом языке с использованием различных моделей, выражений и формул. Для изучения физических явлений и процессов необходимо владеть математическим аппаратом, что затруднительно для большинства школьников.

3. Слабая практикоориентированность.

Школьные учебники и программы по физике недостаточно ориентированы на эксперименты и практические применения изучаемых явлений. Это тоже не способствует эффективному усвоению материала. 4. Знаниевый подход.

Суть его заключается в том, чтобы передать учащимся необходимый объем информации. Особенностью этого подхода является его репродуктивная направленность. Решения задач, как правило, просто заучиваются учениками вместе с условиями. Это приводит к тому, что ученик на экзамене не решает, а пытается вспомнить решение задачи! 5. Другие факторы.

Среди них можно отметить: большой объем материала; высокий темп изучения; необходимость решения задач с использованием теоретически изученного материала; отсутствие интереса к предмету, большая загруженность детей и др.

При знаниевом подходе к решению задач фактически происходит натаскивание, а не обучение! Вместо «умения размышлять» над задачей ученики стараются научиться «умению запоминать» готовое решение. При таком подходе роль задач в обучении сводится лишь к контролю знаний, а не развитию способности размышлять!

Из сказанного становится очевидным то, что учитель обязан научить обучающихся умению размышлять и решать, а не предлагать им готовые решения задач для их запоминания. А умение решать задачи может быть сформировано в рамках уже другого подхода, а именно, исследовательского. И первым шагом в реализации этого подхода является так называемое «золотое правило» решения задач (рис. 1) [Генденштейн 2024]: Рис. 1. Схематическое представление «золотого правила» решения физических задач Это правило предполагает прохождение в процессе решения задачи пятиэтапного алгоритма:

– внимание учеников переключаем с поиска «нужной формулы» для подстановки искомых величин и получения ответа на ситуацию, описанную в условии задачи; – размышляем, какие явления происходят в этой ситуации; – выявляем соотношения, справедливые для искомой ситуации; – записываем эти соотношения в виде уравнений (систем уравнений) для искомых величин; – находим способы решения этих уравнений (систем уравнений), получаем ответ и анализируем его.

Для конкретности дальнейших рассуждений приведем примеры ключевых ситуаций (таблица 1).

Таблица 1 Примеры ключевых ситуаций Класс Название ключевой ситуации Равномерное движение тела Равновесие груза, подвешенного на пружине Равновесие жидкости в сообщающихся сосудах Подъем груза с помощью блока Установление теплового равновесия между телами Электризация тел различными способами Взаимодействие проводников с токами Поворот рамки с током в магнитном поле Формирование изображения предмета в плоском зеркале Формирование изображения предмета в тонкой линзе Движение тела по круговой орбите Реактивное движение Колебания маятников Распространение волны Как правило, количество ключевых ситуаций не превышает нескольких десятков и их подбор осуществляется по следующим критериям: – охватывает небольшое число физических явлений; – ситуацию можно описать средствами школьной математики; – ситуация по возможности должна обладать прикладной значимостью. Исследование ключевой ситуации лучше всего реализуется с помощью учебного диалога по схеме:

– учитель сам ставит вопросы; – учитель помогает ученикам ставить вопросы; – ученики самостоятельно ставят вопросы и занимаются поиском ответов на свои вопросы.

Результаты проведенного нами анализа позволяют сделать некоторые выводы, представляющие интерес для нашего исследования: – метод исследования ключевых ситуаций реализуется через исследовательские и деятельностные подходы; – в рамках этого метода стирается грань между теоретическими знаниями и практическими задачами; – в нем понимание не предшествует применению, а рождается в самом процессе применения; – вопросы в учебном диалоге ставятся не для контроля понимания, а для его достижения; – исследование одной ситуации приводит к постановке и решению десятки новых задач; – исследование ситуации – это творческий процесс, а не репродуктивный, что значительно повышает мотивацию обучающихся. Продемонстрируем применение МИКС на примере темы «Соединение проводников» [Евланов 2023].

Условие задачи: На рис. 2 изображена схема участка электрической цепи. Сопротивление каждого резистора 1 Ом. Напряжение на участке цепи равное 15 В.

Рис. 2. Схема участка электрической цепи Вариант учебного диалога:

можно ли заменить резисторы 1 и 2 одним резистором? Чему будет равно сопротивление этого проводника? Чему равно сопротивление всего участка цепи?

Чему равна сила тока в данном участке цепи?

Чему равны напряжения на резисторах?

Чему равна сила тока в каждом резисторе?

Затем работа над ситуацией сводится к выявлению соотношений между такими параметрами как общее сопротивление проводников при их параллельном или последовательном соединении, работа электрического тока, мощность тока, количество теплоты, которое выделяется при этом и записи соответствующих уравнений (физических формул). В зависимости от того, что мы хотим найти, если известны те или иные параметры, можно спроектировать десятки различных задач.

К названным преимуществам МИКС следует также добавить его практическую направленность. Учащиеся получают возможность применения своих знаний на практике, что способствует повышению интереса и более глубокому усвоению учебного материала. Вместе с тем следует подчеркнуть, что этот метод не лишен некоторых недостатков. Во-первых, реализация метода исследования ключевых ситуаций требует больших временных затрат на подготовку ситуаций и диалога. Помимо этого, он не будет достаточно эффективным при отсутствии достаточного уровня базовых знаний у учащихся. Ряд исследований свидетельствует о положительных результатах применения МИКС при изучении физики. Обучающиеся, которые участвовали в таких занятиях, показали более высокие результаты по сравнению с теми, кто обучался на основе применения обычных методов обучения. Отмечено также проявление большего интереса к предмету и формирование навыков самостоятельного решения задач [Усольцев 2008]. Таким образом, метод исследования ключевых ситуаций – эффективный инструмент овладения учебным предметом «Физика». Он способствует лучшему пониманию учащимися основных принципов и законов физики посредством решения практических задач и анализа ситуаций. Несмотря на отмеченные недостатки, данный метод позволяет развивать аналитические навыки у школьников, более заинтересовано изучать и усваивать материал. Результаты проведённого нами исследования подтверждают его эффективность и показывают, что он может быть успешно реализован учителями в образовательном процессе.