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.

Известные отечественные психологи П.И. Зинченко и А.А. Смирнов установили следующую закономерность (закономерность Смирнова-Зинченко): “Учащийся может запомнить материал непроизвольно, если выполняет над ним активную мыслительную деятельность, и она направлена на понимание этого материала”.

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”.

Согласно одной из аксиом методики, знания считаются усвоенными только тогда, когда ученик может применить их на практике. Решение задач - практическая деятельность. Значит, задача играет и роль критерия усвоения знаний. По умению решить задачу мы можем судить: понимает ли ученик данный закон, умеет ли он увидеть в рассматриваемом явлении проявление какого-либо физического закона. А научить этому можно - опять же - через решение задач. Практика показывает, что физический смысл различных определений, правил, законов становится действительно понятным учащимся лишь после неоднократного применения их к конкретным частным примерам-задачам.

Решение задач выполняет ещё одну важную образовательную функцию - формирование и обогащение понятия физической величины - одного из основных понятий физики.

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.

Решение задач воспитывает и общечеловеческие качества. Д. Пойа пишет: “Обучение искусству решать задачи есть воспитание воли. Решая не слишком лёгкую для себя задачу, ученик учится быть настойчивым, когда нет успеха, учится ценить скромные достижения, терпеливо искать идею решения и сосредоточиваться на ней всем своим “я”, когда эта идея возникает. Если учащемуся не представилось возможности ещё на школьной скамье испытать перемежающиеся эмоции, возникающие в борьбе за решение, в его математическом образовании оказывается роковой пробел." (Пойа Д. Как решать задачу. - М., 1961. - С.105.) Эти слова в полной мере можно отнести и к физическим задачам. При решении задач у школьников воспитывается трудолюбие, пытливость ума, смекалка, самостоятельность в суждениях, интерес к учению, воля и характер, упорство в достижении поставленной цели.

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,

то учащийся при решении второй или третьей задачи перестаёт обосновывать решение задачи, начинает решать задачи механически, только по аналогии с предшествующими задачами, стремится обойтись без рассуждений. Это приводит к ослаблению развивающей стороны решения задач. Поэтому необходимо учить школьников решению задач разными методами, как стандартными, так и не часто использующимися в школьной практике. Полезно одну и ту же задачу решать разными способами, это приучает школьников видеть в любом физическом явлении разные его стороны, развивает творческое мышление.

Разнообразие и важность функций, выполняемых задачей, приводит к тому, что задача занимает в учебном процессе важное место.

Глава II

2.1 Виды задач

Задачи-вопросы - это такие задачи, при решении которых требуется объяснить то или иное физическое явление или предсказать, как оно будет протекать при данных условиях; в содержании этих задач отсутствуют числовые данные.

Например: Почему волосок электрической лампочки накаливается добела, в то время как провода остаются холодными, хотя по ним проходит такой же ток (8 кл.). И такие задачи решаются устно; необходимость обоснования ответов на поставленные вопросы приучает учащихся рассуждать, помогает глубже осознать сущность физических законов.

Количественные задачи - это такие задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без вычислений. При решении количественных задач качественный анализ также необходим, но он дополняется еще и количественным анализом с подсчетом тех или иных количественных характеристик процесса.

Под тренировочными задачами подразумеваются задачи, требующие простого анализа и простого вычисления. Решение таких задач (в небольшом количестве) необходимо для конкретизации только что сообщенной закономерности. Наиболее легкие из них решаются устно.

Например: Определить сопротивление нихромовой проволоки, длина которой 150 м., а площадь поперечного сечения 0,2 мм².

Экспериментальные задачи - это задачи, при решении которых с той или иной целью используется эксперимент.

Решение экспериментальных задач способствует развитию наблюдательности, а также совершенствуются навыки обращения с приборами.

Например: С помощью мензурки с водой определить вес деревянного бруска…

Графические задачи - это такие задачи, в процессе решения которых используют графики.

Решение графических задач способствует уяснению функциональной зависимостью между физическими величинами, привитию навыков работы с графиками, развитию умения работать с масштабами.

Например:

1. Построить график пути равномерного движения, если v = 2 м/с.

2. Какие явления характеризует каждая часть графика…

Задачи с техническим содержанием - задачи, в которых отражена связь физики с техникой или производством.

Подобные задачи учитель может составлять сам, используя сообщения из газет, журналов, радио и телевидения. При решении таких задач все внимание учеников сосредоточено на раскрытии новых терминов.

Например: Почему для постройки сверхскоростных реактивных самолетов используют специальные жароустойчивые сплавы?

Задачи с историческим содержанием - это такие задачи, в условиях которых использованы исторические факты об открытии законов физики или каких-либо изобретений. Они имеют большое познавательное и образовательное значение.

Например, в 7 кл., при изучении закона Архимеда для газов, можно решить задачу: Ученый Аристотель, живший в IV веке до н.э. обнаружил, что кожаный мешок, надутый воздухом, и тот же мешок без воздуха, сплющенный, имеют одинаковый вес. На основании этого опыта он сделал неверный вывод, что воздух не имеет веса. В чем заключалась ошибка Аристотеля?

Занимательные задачи - это такие задачи, содержание которых дается в занимательной форме. Они могут быть качественными, экспериментальными или количественными.

Необычная постановка вопроса в таких задачах и последующее обсуждение результатов обычно глубоко заинтересовывают учащихся. К сожалению, в сборниках задач по физике мало задач занимательного характера. Поэтому их приходится подбирать учителю из других источников. Например: Я.И. Перелыман "Занимательная физика", "Физика на каждом шагу"; В.И. Зибера "Задачи-опыты по физике".

Пример: почему не удается встать со стула, не нагибая корпуса вперед? Проверить на опыте и т.д.

2.2 Способы обучения решению задач

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.

2.3 Структурный анализ процесса решения задач

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 учёбный 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.

2.4 Структура учебного алгоритма

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.

2.4.1 Виды алгоритмов

1. Запишите в левой части равенства численное значение рассматриваемой величины с указанием наименования ее единицы, а в правой части равенства выделите наименование величины с коэффициентом "единица": 5 м/с=5Ч1 м/с.

2. Запишите соотношение заданной единицы величины с новыми единицами измерения: 1м =1/1000 км, 1с =1/3600 ч.

3. В левой части равенства запишите численное значение заданной величины, а в правой - соотношения через новые единицы.

4. В правой части равенства осуществите все действия с коэффициентами и наименованиями.

Алгоритм для определения производных единиц физических величин

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:

В начале VII класса учащиеся не владеют общими методами решения физических задач, так как только здесь встречаются с ними впервые. Но им приходилось решать математические задачи с элементами физики

В процессе решения математических и физических задач имеются общие операции. Поэтому возможно осуществить перенос умения решать математические задачи на решение физических задач. Так, учащиеся к началу обучения в VII классе уже владеют простейшими вычислительными умениями, а также умением построения графика. Но есть и такие операции, содержание которых в математике и физике неидентично (например, действия с именованными величинами).

К окончанию средней школы у учащихся должны быть сформированы общие методы решения задач. Процесс усвоения учащимися методов решения задач идет довольно сложно.

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.

В настоящее время представляется возможным выделить следующие основные этапы овладения учащимися методами решения задач:

1) выработка умения анализировать условие задачи;

2) выработка умения выполнять отдельные операции, общие для большого класса задач;

3) овладение конкретными методами решения задач по определенной теме и определённого вида;

4) овладение предписаниями алгоритмического типа по решению задач определенных видов (вычислительных, логических, экспериментальных);

5) усвоение общего предписания алгоритмического типа по решению физической задачи.

Кратко опишем содержание каждого из этапов формирования у учащихся умения решать задачи.

Первый этап. Процесс анализа конкретных физических задач довольно сложен. Он начинается с восприятия условия задачи, заданной определенным кодом. Текстовой код (как более распространенный способ предъявления физической задачи) оказывается трудно воспринимаемым для образного представления содержания задачи. Поэтому процесс восприятия конкретной задачи сопровождается перекодированием ее условия с помощью кода более высокого порядка. Первой формой перекодирования задачи является форма краткой записи ее условия через буквенные и знаковые обозначения с соответствующими индексами, а также выполнение рисунков, чертежей, схем электрических цепей.

Второй этап начинается с выявления структуры процесса решения задачи. На первых порах происходит нечеткое (диффузно-рассеянное) восприятие самой структуры, но основное внимание обращается на содержание общих операций по решению любой физической задачи; идет процесс усвоения этих операций. Особое внимание должно быть уделено формированию таких операций, как выбор рациональных способов решения задачи, выполнение приближенных вычислений, выполнение действий с именованными величинами, преобразование единиц величин, применение различных способов проверки и анализ результата.

На третьем этапе происходит усвоение общей структуры решения класса задач по конкретной теме, на применение конкретных физических законов. На данном этапе усвоения учащимися общих методов решения задач данного класса усвоенные ранее операции выстраиваются в строгую систему, которую можно рассматривать как предписание алгоритмического типа для решения задач по определенным темам.

Четвертый этап процесса усвоения учащимися методов решения физических задач заключается в том, что предписания алгоритмического типа для решения задач определенного вида (вычислительных, логических, экспериментальных) по конкретным темам и на конкретные законы' обобщаются в общие предписания алгоритмического типа задач этого вида.

На пятом этапе происходит дальнейшее обобщение предписаний алгоритмического типа, при этом вырабатывается общее предписание алгоритмического типа для решения любой физической задачи.

3.2 Методика обучения учащихся решению вычислительных задач

Составление плана

К экспериментальным задачам относятся те, которые не могут быть решены без постановки опытов или измерений.

Основное значение решения экспериментальных задач заключается в формировании и развитии с их помощью наблюдательности, измерительных умений, умений обращаться с приборами. Они способствуют более глубокому пониманию сущности явлений, выработке умения строить гипотезу и проверять ее на практике. В процессе решения экспериментальных задач учащиеся овладевают экспериментальным способом решения физических задач,

Виды экспериментальных задач по роли эксперимента в решении:

Покажем примеры различных видов экспериментальных задач:

Решение экспериментальной задачи начинается с постановки (в различных вариациях) задачи, затем осуществляется краткая запись условия, формулируется гипотеза, проверка которой планируется, затем осуществляется реализация намеченного плана различными средствами (математическими, логическими и экспериментальными). Полученный результат кодируется выбранным способом, после чего осуществляется его проверка.

Рассмотрим пример решения следующей экспериментальной задачи, которую можно предложить учащимся в VII классе.

Постановка задачи. На столе имеется прямоугольная жестяная банка, динамометр, масштабная линейка, сосуд с водой, песок, Для обеспечения вертикального положения банки при плавании в воде ее немного нагружают песком. Определить глубину осадки банки.

Условие данной задачи можно выразить при помощи рисунка с надписью вопроса под ним.

В основу решения данной экспериментальной задачи положим предположение о том, что банка будет погружаться в воду до тех пор, пока сила тяжести, действующая на нее; и песок не уравновесятся выталкивающей силой воды, действующей на банку снизу вверх, т.е. F_А = F Выталкивающая сила F_А равна весу вытесненной телом жидкости, т.е. F_A = gс_вV_В, где g = 9,8 H/кг, V_в - объем погруженной части банки, с_в - плотность воды. Объем погруженной части равен произведению площади основания s на глубину погружения в воду h. Следовательно, F_А = gс_вhS. Откуда h = F_А/с_вgS.