Одним из условий успешного формирования физических понятии и теорий является система рационально подобранного и тщательно поставленного учебного эксперимента.
Л.И.Анциферов дает следующее определение ШФЭ: это система методов и технических средств, обеспечивающая изучение физики через реализацию опытов. Однако любая деятельность (познавательная, экспериментальная) предполагает наличие таких компонентов как цель, средства, организационные формы процесса и результат.
Рассматривая цели использования ШФЭ при обучении физике, Ю.А.Сауров указывает следующее: "... ШФЭ - это, во-первых, и, прежде всего, объект усвоения. Содержательные составляющие здесь такие: экспериментальные методы изучения физических систем и явлений; эксперимент как источник знаний и критерий истинности (применимости) теорий; эксперимент как великий посредник между теорией и природой. Во-вторых, ШФЭ - это средство организации усвоения знаний и, с этой точки зрения, он составляющая (форма) того или иного метода (приема) обучения. Как средство усвоения ШФЭ обеспечивает образную (чувственную) и логическую наглядность при передаче научных знаний". В самом общем виде целью использования ШФЭ является: формирование методологических знаний, обобщенных экспериментальных умений учащихся; формирование собственно физических знаний; социокультурное и интеллектуальное развитие учащихся.
Прежде всего в систему учебного физического эксперимента следует включить небольшое число фундаментальных опытов, составляющих экспериментальную основу современной физики.
Постановка этих опытов в большинстве случаев требует незаурядного экспериментального мастерства и связана с использованием достаточно сложного оборудования.
Та часть фундаментальных опытов, которая в настоящее время пока еще не может быть поставлена в виде демонстрационных опытов из-за сложности, громоздкости или дороговизны установок, должна быть заснята в специальных учебных фильмах.
Для преподавания физики наибольшую ценность представляют такие опыты, которые позволяют устанавливать количественные закономерности, характеризующие изучаемое явление. Так как в ходе демонстрационного эксперимента установление количественных соотношений не всегда возможно, то часть фундаментальных опытов должна быть перенесена в специальный лабораторный практикум, В этот же практикум должны быть включены и те фундаментальные опыты, выполняя которые учащиеся будут знакомиться с современным лабораторным оборудованием.
Изучение фундаментальных физических экспериментов во время демонстраций и при самостоятельной работе в лаборатории, ознакомление с частью таких экспериментов по фильмам создадут необходимую экспериментальную базу для изучения физики. Опираясь на эти опыты, можно четко и непротиворечиво изложить курс современной физики. Постановка и объяснение этих опытов должны быть неторопливыми и предельно четкими. Учащиеся должны ясно представлять место этих опытов в здании современной физики.
Однако специфика восприятия учебного материала учащимися и педагогические задачи, стоящие перед курсом физики, не позволяют ограничить учебный физический эксперимент постановкой и изучением только фундаментальных опытов, глубокое знание которых в принципе достаточно для понимания современней физики.
С педагогической точки зрения необходима также постановка следующих групп опытов, имеющих большое значение для обучения.
Опыты, иллюстрирующие объяснение преподавателя. Например, при изучении движения по окружности нет принципиальной необходимости в демонстрации этого движения в аудитории, так как учащиеся достаточно часто сталкиваются с этим движением в жизни. Однако каждый учитель знает, что демонстрация этого движения оживляет ход урока, создает положительный эмоциональный фон для восприятия учебного материала.
По-видимому, высокая педагогическая эффективность подобных опытов связана с тем, что учащиеся наблюдают за их ходом с позиции, предварительно выбранной преподавателем, который обращает внимание учащихся только на то, что существенно важно для понимания изучаемого явления.
Опыты, в ходе которых показывается применение изученных физических явлений в технике и изучается принцип работы технических установок. Демонстрация подобных опытов необходима для подготовки учащихся к практической деятельности и для иллюстрации связи физики с техникой. Важно, что при выполнении таких опытов учащиеся не только изучают принцип работы конкретных технических объектов, но и закрепляют и углубляют свои знания об изученном ранее явлении. Учитывая то обстоятельство, что число технических объектов, в которых используются физические явления, обычно весьма велико, следует строго отбирать подобные опыты. При изучении технических объектов не следует обращать внимание учащихся на конструктивные особенности и несущественные детали.
Эффектные опыты, предназначенные для возбуждения интереса учащихся к миру физических явлений. По образному выражению Луи де Бройля, современная наука - “дочь удивления и любопытства, которые всегда являются скрытыми движущими силами, обеспечивающими ее непрерывное развитие”. Эффектный опыт способен пробудить у учащихся интерес к физике, и с этим следует считаться.
Опыты, в ходе которых учитель ставит перед учащимися проблему, над решением которой предстоит работать на данном уроке.
Опыты, предназначенные для проверки ошибочности суждений, высказанных при обсуждении проблемы одним из учащихся.
Хотя первоначальное ознакомление с основными приемами работы в физической лаборатории и первоначальное умение в обращении с лабораторным оборудованием учащиеся получают из наблюдении за работой преподавателя на уроках, отработка соответствующих умений и навыков происходит в процессе самостоятельной экспериментальной работы учащихся в лаборатории. Поэтому в систему учебно-физического эксперимента должны быть включены лабораторные работы учащихся, которым необходимо придать исследовательский характер.
Наконец, наиболее сложные работы исследовательского характера, на проведение которых необходимо 2, а иногда и 4 ч, целесообразно выделить в физический практикум.
Таким образом, в систему школьного физического эксперимента должны войти:
1) Фундаментальные опыты, составляющие экспериментальную основу современной физики (часть в виде демонстрации, выполняемых учителем, а часть в виде лабораторных опытов, проводимых учащимися).
2) Демонстрационные опыты, постановка которых вытекает из педагогических соображений.
3) Фронтальные лабораторные работы.
4) Физический практикум.
С развитием науки и техники школьный курс физики расширяется и углубляется. Достижения науки и техники, научные методы в той или иной степени находят отражение в его содержании. В связи с развитием физики как учебного предмета содержание учебного эксперимента тоже развивается, его система непрерывно углубляется и расширяется.
Ввиду сложности содержания, сложных внутренних и внешних связей учебного эксперимента, можно отыскать разнообразные признаки и осуществить разнообразные классификации. Из всех возможных классификаций эксперимента самыми важными являются те, которые имеют практическое значение и нашли свое место в преподавании.
Наиболее признанная классификация, - это классификация учебного эксперимента по исполнителю (учитель - ученик). На основе этого признака эксперимент делится на два основных вида:
1. Демонстрационный эксперимент (выполняемый учителем).
2. Самостоятельный эксперимент учащегося (лабораторные работы, физические практикумы, домашний физический эксперимент, экспериментальные задачи).
Второе по значению место в системе физического эксперимента заняла классификация по дидактическим функциям эксперимента. Эта классификация очень обширна и разнообразна из-за сложности учебного процесса. В разных источниках эта классификация дается по-разному, выделяют разное число групп эксперимента. В обобщенном виде классификация выглядит следующим образом:
1).Основополагающие опыты, представляющие фундамент современной физики. Эти опыты могут быть поставлены как демонстрации, лабораторные работы, работы физического практикума.
2).Опыты по наблюдению физических явлений и процессов. Опыты по воспроизведению некоторых природных явлений. Опыты по изучению свойств и тел материалов.
3).Эффектные опыты, предназначенные для вызывания интереса учеников к физике. Опыты, посредством которых создается проблемная ситуация.
4).Опыты, опровергающие и выявляющие ошибочные рассуждения учеников, вытекающих из жизненного опыта. Опыты, посредством которых разрешается проблема, возникшая на уроке.
5).Опыты, поставленные с исследовательской целью для проверки выдвинутого предложения или гипотезы, для формирования исследовательских навыков.
6).Опыты, иллюстрирующие объяснение учителя.
7).Опыты по ознакомлению учащихся с некоторыми методами физических исследований.
8).Опыты по изучению аппаратуры для исследований, в частности, измерительных приборов. Опыты, обучающие умению измерения физических величин.
9).Опыты, в ходе которых демонстрируется использование физических процессов и явлений в быту и технике, объясняется принцип работы технических устройств и раскрывается физическая основа технологических процессов. Различные дидактические цели, решаемые в учебном процессе, могут быть достигнуты в одних случаях демонстрационным экспериментом, а в других - самостоятельным экспериментом учащихся. Поэтому рассмотренные две классификации имеют между собой сложные связи.
Таким образом, можно сказать, что процесс обучения физике должен состоять в последовательном формировании новых (для учащихся) физических понятий и теорий на базе немногих фундаментальных положений, опирающихся на опыт. В ходе этого процесса должен в равной мере найти отражение индуктивный характер установления основных физических закономерностей на базе эксперимента и дедуктивный характер вывода следствий из установленных таким образом закономерностей с использованием доступного для учащихся математического аппарата. Используя учебный эксперимент, можно:
а) показать изучаемое явление в педагогически трансформированном виде и тем самым создать необходимую экспериментальную базу для его изучения;
б) проиллюстрировать проявление установленных в науке законов и закономерностей в доступном для учащихся виде и сделать их содержание понятным для учащихся;
в) познакомить учащихся с экспериментальным методом изучения физических явлений;
г) показать применение изученных физических явлении в технике;
д) повысить наглядность преподавания и тем самым сделать изучаемое явление более доступным для учащихся;
е) повысить интерес учащихся к изучаемому явлению.
