Глава 3. Некоторые вопросы методики политехнического образования

§ 1. Политехническое образование и различные виды учебного физического эксперимента

Для политехнического образования учащихся средней школы большое значение имеет учебный физический эксперимент в виде демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных работ, физического практикума и экспериментальных задач. Во время проведения демонстрационных опытов учащиеся получают предварительные представления о тех или иных физических объектах, явлениях и закономерностях. Эти представления затем постепенно совершенствуются, развиваются и конкретизируются на фронтальных занятиях и при выполнении работ физического практикума.

Например, согласно программе по физике учащиеся VI класса знакомятся во время демонстрационных опытов, показанных учителем, со способом определения массы тела на учебных рычажных весах и его объема с помощью мерного цилиндра. После этого вводится понятие о плотности тела.

Затем на одной из фронтальных лабораторных работ шестиклассники, имея все необходимые приборы и материалы, производят измерения и определяют плотность твердого тела. Таким образом, кроме некоторой конкретизации и развития понятия о плотности тел, они приобретают умение обращаться с простейшими измерительными приборами - учебными весами, гирями, мерным цилиндром.

Эти умения развиваются при выполнении в практикуме VIII класса лабораторной работы "Определение плотности вещества", имеющей богатое политехническое содержание. При ее выполнении ученикам приходится пользоваться более сложным оборудованием и измерительными приборами - техническими весами с набором гирь, штангенциркулем и микрометром.

Другой пример: при подготовке к лабораторной работе "Определение механической мощности электрического двигателя" учитель знакомит учащихся VI класса с малогабаритным учебным электродвигателем. Он показывает, как можно воспользоваться этим прибором в качестве источника механической энергии, как надо соединять его с аккумулятором и включать в цепь. Таким образом, шестиклассники получают предварительные представления об электродвигателе. В VII классе этот прибор школьники изучают: они разбирают его на отдельные узловые элементы и знакомятся с их назначением. Затем снова собирают электродвигатель, испытывают его в действии, т. е. получают ясное представление об устройстве, принципах действия прибора, а попутно приобретают навык в составлении электрической цепи. В практикуме же VIII класса учащиеся выполняют работу по определению зависимости мощности на валу электродвигателя от нагрузки. Кроме того, при выполнении этой работы они применяют измерительные приборы (динамометры, счетчик оборотов, секундомер) и знакомятся с одним из методов определения механической мощности электродвигателя.

И наконец, третий пример. Учащиеся X класса рассматривают на уроке непрерывный оптический спектр, полученный учителем на экране с помощью треугольной призмы и проекционного аппарата. Затем на фронтальной лабораторной работе они упражняются в отыскании расположения призмы по отношению к глазу и ярко освещенной щели и получении сплошного спектра.

Все это служит лишь необходимой подготовкой к тому, чтобы учащиеся затем смогли на занятиях физического практикума выполнить работу со спектроскопом: разобраться в его устройстве, приобрести умение обращаться с этим важным оптическим прибором и ознакомиться с элементами спектрального анализа.

Приведенные примеры показывают, что многие лабораторные работы, предназначенные для фронтальных занятий и практикумов, имеют политехническую направленность. Она заключается в том, что в процессе выполнения этих работ, постепенно усложняющихся по содержанию и используемому оборудованию, учащиеся собирают технические установки, знакомятся с рядом приборов, проводят с ними наблюдения и измерения, приобретают умения, которые в дальнейшем при выполнении других работ постепенно переходят в навыки.

То же самое следует сказать о работах физических практикумов VIII-X классов. Кроме работ, которые с успехом дополняют фронтальные лабораторные занятия, можно выделить такие, которые по своему содержанию относятся к политехническим и имеют самостоятельное значение. Они выполняются на оборудовании, близком к заводскому.

Примером могут служить такие работы: определение скорости снаряда при помощи баллистического маятника; определение разрушающих напряжений металла; изучение электронного осциллографа и применение его к исследованию периодических процессов.

Демонстрационные опыты с техническим содержанием. Демонстрационные опыты могут быть разделены на опыты чисто физические и опыты с техническим содержанием. Последние в большинстве случаев иллюстрируют применение физических закономерностей в различных технических устройствах или сооружениях. Опыты с физическим и техническим содержанием целесообразно сочетать. Иллюстрацией этого могут служить следующие примеры.

С помощью опыта с прибором, в котором при нагревании биметаллическая пластинка, изгибаясь, отклоняет стрелку, демонстрируют различие температурных коэффициентов линейного расширения двух металлов. Это физический опыт. Если ту же пластинку (но уже без стрелки) расположить над электрической плиткой так, чтобы пластинка, -изгибаясь при нагревании, выключала плитку и вместе с ней лампу накаливания, то такой опыт будет демонстрировать принцип действия автоматического регулятора температуры. Этот опыт не может заменить предыдущий, так как учащиеся на этой установке не видят изгиба пластинки, но он поясняет принцип действия автоматического устройства, содержащегося в электрическом утюге, в рукоятке которого периодически то загорается, то гаснет лампочка.

Модель для демонстрации передачи электроэнергии на дальнее расстояние состоит из генератора переменного тока, двух трансформаторов, включенных на повышение и понижение напряжения, низковольтной лампочки и проволочной двухпроводной линии передачи с резистором в каждом из двух ее проводов. Все эти приборы применялись ранее в различных опытах по электричеству в VII и X классах. Назначение данного опыта, который ставится в X классе, состоит в наглядной иллюстрации применения трансформатора в современной электроэнергетике для уменьшения потерь энергии в линиях электропередачи.

Демонстрационные опыты политехнического характера включены во все разделы курса физики. В механике к ним относятся демонстрации способов уменьшения и увеличения трения, шариковых и роликовых подшипников, показ действия моделей центробежных механизмов, устройства и действия пульверизатора и водоструйного насоса, устройства и действия гидравлического пресса, водяных насосов, водяной турбины. В молекулярной физике и теплоте - демонстрации устройства и действия двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины, устройства и применения гигрометра и психрометра. В электродинамике - демонстрации устройства и действия реостатов, электронагрева тельных приборов, телеграфа, электромагнитного реле, автоматических сигнализаторов и регуляторов температуры, искровой обработки металлов. В теме "Колебания и волны" - демонстрации применения маятника в часах, устройства и действия простейшего радиоприемника, радиотелефонной передачи, дистанционного управления моделью по радио. В оптике - демонстрации устройства и действия фотоаппарата, проекционного аппарата, люминесцентной лампы, фотореле, счетчика ионизирующих частиц, воспроизведения звука с киноленты и др.

Таким образом, учебный физический эксперимент политехнического содержания представлен в программе достаточно полно. При условии его выполнения учащиеся получат все необходимые сведения для политехнического образования и приобретут многие полезные умения и навыки.

Современный научно-технический прогресс немыслим без широкого применения автоматики. Ознакомить учащихся с элементами автоматики можно на ряде технических моделей. Одним из примеров может служить модель насосной установки, состоящая из центробежного насоса и поплавкового выключателя, которые при их совместном действии автоматически поддерживают уровень воды в баке. Действие этой установки целесообразно показать при знакомстве учащихся с центробежными механизмами. Так как размеры модели центробежного насоса недостаточно велики, его устройство следует разъяснить с помощью настенной таблицы.

Примером автоматизации производственных процессов может служить модель установки для сортировки деталей по прозрачности. В этой установке находит применение фотоэлемент, реагирующий на световой поток, пропускаемый проходящими мимо него деталями. Фотоэлемент воздействует на электромагнитное устройство, которое направляет прозрачные и непрозрачные детали в разные отсеки.

В ряде случаев возможно и желательно использовать в демонстрационных опытах сами технические объекты. Естественно, что эти объекты не всегда приспособлены для демонстрации, их существенно важные узлы и детали бывают скрыты от глаз наблюдателя. В таких случаях прибегают к удалению мешающих наблюдению деталей, как это сделано, например, с демонстрационным манометром, с которого просто снят кожух. Однако это не всегда приводит к желаемому результату, как, например, при удалении кожуха с барометра-анероида. В подобных случаях помочь должны настенные таблицы, на которых крупным планом в наиболее выгодном ракурсе изображены механизмы приборов со всеми деталями. Более сложный технический объект - электронный осциллограф. Этот прибор имеет широкое применение в научных и заводских лабораториях. Он также является техническим средством при изучении различных вопросов электродинамики в школе. Есть две связанные стороны в овладении учащимися умением работать с осциллографом. На демонстрационных опытах, а также в работах физического практикума они обучаются обращению с ручками управления электронным пучком и овладевают этим достаточно быстро. Другая сторона - изучение устройства осциллографа и органов его управления. Для этой цели разработана демонстрационная открытая упрощенная модель осциллографа, действие которой демонстрируется при анализе ее схемы, начерченной на доске.

Выше были приведены лишь немногие примеры демонстрационных опытов, в которых явления, изучаемые в курсе физики, связываются с элементами техники. В тех случаях, когда по различным причинам технические объекты не могут быть показаны на демонстрационном столе, следует использовать кинофильмы или отдельные кинофрагменты.

Лабораторные работы для фронтальных занятий и практикумов. Фронтальные лабораторные работы имеют различную направленность. Одни из них могут быть целиком посвящены изучению технических устройств и принципа их действия. Цель других - формирование умений и навыков пользоваться каким-либо прибором, широко применяемым в быту и технике. И наконец, имеются работы, где учащиеся измеряют различные физические величины и наблюдают физические явления.

К работам первого типа можно отнести, например, такие: "Сборка электромагнита и испытание его действия", "Сборка и испытание электромагнитного реле", "Сборка и испытание модели электрического двигателя постоянного тока". Выполнение этих работ способствует развитию умения составлять электрические цепи. Кроме того, в первых двух выясняется, как устроены и действуют простейшие модели электромагнита и электромагнитного реле, имеющих широкое применение в различных автоматических устройствах. А в третьей работе учащиеся знакомятся с устройством и действием электрического двигателя.

К этому же типу фронтальных лабораторных работ относится сборка модели микроскопа и такие, пока не вошедшие в программу работы, как "Знакомство с гальваническим элементом" и "Сборка модели диапроектора".

Примерами фронтальных лабораторных работ второго типа могут служить такие работы: "Измерение массы на рычажных весах" (в ней учащиеся знакомятся с устройством и действием рычажных весов и упражняются в приемах обращения с ними по определенным правилам), "Знакомство с устройством шарикового и роликового подшипников", имеющих широкое распространение в современной технике.

К работам третьего типа относятся такие работы, как "Градуирование пружины и измерение силы динамометром", "Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости", "Изучение параллельного соединения проводников", "Определение мощности, потребляемой электрической лампой", "Определение эффективности установки с электрическим нагревателем", "Изучение явлений электромагнитной индукции", "Нагревание тел при совершении работы" и др.

Проведенное деление работ на три типа достаточно приблизительное; даже многие измерительные работы, имеющие общеобразовательный характер и отнесенные к третьему типу, содержат элементы, способствующие политехническому образованию.

Фронтальные лабораторные работы проводятся различными способами. Например, можно давать каждому звену учащихся перед уроком подробно составленные письменные инструкции, в которых по пунктам предложен весь порядок выполнения работы (подобные инструкции помещены в учебниках).

Возможен и такой способ: фронтальную лабораторную работу учитель предлагает в форме устного задания, определяющего цель и характер предстоящей работы, и отдельных практических указаний перед ее выполнением. Решающая роль в проведении фронтальных лабораторных работ таким способом принадлежит учителю. Он должен не только умело организовывать и направлять всю работу, но и подготавливать учащихся к ней. Четкие и ясные устные инструкции учителя к проведению работы должны быть такими, чтобы все учащиеся отчетливо представили себе логическую последовательность действий, осознали связь между отдельными действиями и их подчиненность основной идее лабораторной работы.

Кроме того, учителю следует своевременно оказывать помощь учащимся (особенно слабым): вести постоянные наблюдения за учащимися, контролируя и оценивая полученные ими знания, умения и навыки, вовремя исправляя допущенные ими неточности. Практика показывает, что такой способ ведения занятий дает больший педагогический эффект.

За все время изучения курса физики учащиеся средней школы должны согласно программе проделать 50 фронтальных лабораторных работ и приобрести следующие практические умения и навыки:

1. Пользоваться простыми измерительными приборами: масштабной линейкой, измерительной лентой, угольником, транспортиром, мерным цилиндром, весами с гирями, динамометром, термометром, гальванометром, амперметром, вольтметром, часами-секундомером, барометром-анероидом.
2. Обращаться с различными лабораторными принадлежностями: химической и другой посудой, штативом, спиртовкой, источниками света (свечой, электрической лампочкой), источниками электрического тока (батарейкой сухих элементов, аккумуляторами).
3. Пользоваться некоторыми приборами, часто встречающимися в быту и технике: отвесом, блоком, выключателем электрического тока, электрическим патроном и лампочкой, проволочным резистором, реостатом, электродвигателем, компасом, магнитом и электромагнитом, электрическим реле, оптическими линзами, зеркалами.
4. Составлять простые электрические цепи по заданным схемам, вычерчивать графики протекания простейших физических процессов, правильно обрабатывать результаты наблюдений и измерений, оценивать допущенные погрешности. Практические умения и навыки, приобретенные учащимися при обращении с простейшими приборами в VI-VII классах, в дальнейшем развиваются и совершенствуются. Начиная с VIII класса одновременно с фронтальными работами проводятся физические практикумы, где выполняются работы с применением более сложного оборудования. Почти в каждой из них от учащихся требуется собрать установку или электрическую цепь по схеме, изучить какой-либо новый прибор или выяснить зависимость между величинами и построить график.

В практикуме учащимся предоставляется большая самостоятельность. Они заранее должны подготовиться к работе по инструкции, понять целесообразность применения того или иного прибора для данного опыта, разобраться в методике предстоящих измерений и расчете погрешностей.

Как правило, для работ практикума характерна большая политехническая значимость. Например, при выполнении работ "Изучение явления резонанса в электрическом колебательном контуре", "Изучение электронного осциллографа и применение его к исследованию колебательных процессов", "Определение разрушающего напряжения металла" школьники обучаются обращению со многими довольно сложными техническими приборами, такими, как генератор звуковой частоты, электронный осциллограф, гидравлический пресс, многопредельный авометр, а также с деталями, широко применяемыми в технике: резисторами, конденсаторами, полупроводниковыми диодами.

Еще пример. Овладеть профессией фотографа в течение двух часов, конечно, невозможно. Но ознакомиться в такой короткий срок со всем процессом фотографирования, вызывающим у учащихся большой интерес, можно. Такую цель и преследуют работы "Изучение фотоаппарата и фотографирование" и "Получение негатива и позитива".

Даже такие работы, как "Наблюдение броуновского движения", "Определение показателя преломления стекла" или "Градуировка спектроскопа и определение длины световой волны по градуировочной кривой", содержат политехнические элементы. Первые две работы выполняются с помощью микроскопа, и учащиеся получают умение обращаться с этим весьма распространенным прибором. А в третьей работе они знакомятся со спектроскопом и методом определения химического состава вещества.

Работы практикума могут быть как двухчасовыми, так и одночасовыми. В первом случае учащиеся с VIII по X класс выполняют 23 работы, а во втором - 46 работ.

Практикумы с одночасовыми работами предпочтительнее, так как они могут охватить почти все разделы курса физики и позволить ознакомить учащихся с большим количеством объектов технологического характера. В практикуме с одночасовыми работами можно использовать не только лабораторные, но и некоторые демонстрационные приборы, имеющиеся в физическом кабинете в одном экземпляре. К таким приборам относятся, например, электронный осциллограф, звуковой генератор, гидравлический пресс, батарея конденсаторов, различные блоки электропитания и др.

Таким образом, действующая система школьного физического эксперимента открывает перед учителем широкие возможности для реализации политехнического принципа в обучении учащихся физике. Все это имеет большое значение для привития учащимся интереса к "ручному" труду и технике, правильной профессиональной ориентации школьников, отвечающей запросам нашего социалистического общества.