15. Урок изобретательства

Уроки данного типа развивают техническое творчество учащихся, их умения технически мыслить, давать нестандартные решения технических задач, важных для народного хозяйства и культуры, совершенствования быта. Они пробуждают вкус к усовершенствованию техники, к рационализаторству.

Цель этих уроков педагоги видят в следующем: продолжить формирование личной убежденности каждого ученика в том, что физика - интересная и нужная наука, а также показать практическое применение полученных знания, пропагандировать идеи, что заниматься творчеством может любой человек. Вот один из моих изобретательских уроков.

Преподаватель хочет повторить в IX классе материал о равноускоренном движении и свободном падении. Урок начинает с вопроса: <Как при помощи линейки измерить время (!) реакции человека?> Вопрос удивляет, заинтересовывает. Продолжая это интригующее вступление, говорит следующее: <Знаете ли вы, что такое время реакции человека? Вот что об этом сказано в Литовской советской энциклопедии: <Время реакции (в психологии)-это протяженность от начала сигнала до реакции организма человека на этот сигнал. Она зависит от возраста, тренированности и самочувствия человека... Время реакции является одним из важных критериев отбора водителей, операторов, летчиков, космонавтов>. Как вы думаете, чему равно время реакции у вас? Сможете ли вы быть летчиками, космонавтами, операторами? Чтобы ответить, нужно это время измерить. Оказывается, это нетрудно сделать при помощи обыкновенной... линейки. Не верите? Но это правда, причем мы сумеем провести измерения с точностью до одной тысячной доли секунды! На следующий урок принесите каждый обыкновенную деревянную линейку и микрокалькулятор. Дома подумайте - может быть, вы догадаетесь, как сделать прибор и провести замеры>.

В начале урока, о котором идет речь, выясняют, что удалось ученикам придумать. Потом говорят: <Сейчас мы начнем совместный процесс изобретения прибора, но сначала вспомним, что такое время реакции человека и некоторые сведения по кинематике, так как будем основываться на них. Итак, что такое равноускоренное движение? свободное падение? Каким является движение при свободном падении? Как рассчитать путь, пройденный свободно падающим телом?>

Излагают идею создания требуемого прибора: если позволить вертикально расположенной линейке падать свободно (например, разжав державшие ее за верхний конец пальцы), то она будет двигаться вниз равноускоренно с ускорением g . Если сразу же линейку поймать, то по участку А между пальцами - отметками, где мы ее держали и где поймали, - можно судить о том, сколько времени t она падала. Это время и будет равно времени реакции человека. Остается связать путь А и время t . Как это сделать? Выслушиваю предложения и записывают

По учебнику находим значение g = 981 см/с 2 и получаем формулу:

Вспоминаем правило округления десятичных дробей. С учетом их время t = 0,04515 с.

Следующий этап урока - подготовка микрокалькулятора и составление последовательности выполнения операций на нем. Получаем такую <цепочку>-программу: число 0,04515 закладываем в память микрокалькулятора, набираем на индикаторе h (в см), извлекаем корень из h , умножаем на 0,04515 (из памяти), получаем ответ. Вместе с учениками рассчитываем время t 1 (при h 1 = 1 см), t 2 (при h 2 = 2 см). Округляем каждый ответ до трех значащих цифр и вносим его в таблицу 14.

Таблица 14

Данные для градуировки

h , см

t , с

1

2

20

0,045

0,064

0,202

Следующие вычисления ученики делают самостоятельно. Все результаты обсуждаем и уточняем. В соответствии с табличными данными градуируем линейку, нанося время рядом с сантиметровыми делениями. Получаем прибор (рис. 48).

Рис.48

Остается самое интересное: измерять этим прибором время реакции, делая записи в таблицу 15, сравнивать, удивляться и восхищаться! Рекомендую все опыты проводить вдвоем: один незаметно опускает линейку, другой (испытатель) ее ловит. Задание на дом: 1) изготовить новую красивую линейку; 2) продолжить измерения; 3) сделать выводы.

Таблица 15 Результаты измерения

Кто обследован

Время реакции

утром

вечером

Друг

(имя)

:

Мама

Папа

Сестра

На следующем уроке выделяю часть времени для обсуждения работы. Выясняем, у кого в классе самая быстрая реакция (если удается, связываем это с занятиями спортом), награждаем учеников, у которых самые красивые приборы-линейки и наиболее интересные выводы.

Обычно уроки изобретательства проводятся в конце темы и учебного года. В качестве примера расскажу об уроке изобретательства в VIII классе, который прошел в начале курса вслед за уроком повторения материала за предыдущий класс. Назывался он <Зачем разводят мосты?> и был посвящен теоретическому решению задачи проведения судов по Неве в С.-Петербурге без разведения мостов. Его методическая цель - творческое, активное повторение материала по физике VII класса, а именно о сообщающихся сосудах, плавании тел, а также ознакомление с экономическими проблемами.

Поздоровавшись с учениками, преподаватель пишет на доске вопрос: <Зачем разводят мосты?> - и объявляет, что он - тема урока. Многие поднимают руки, желая ответить, что мосты разводят для того, чтобы пропустить суда, габариты которых не позволяют им пройти под мостом. Выясняют <дефект> этой операции: когда разводят мосты, то автомобильный и железнодорожный транспорт стоит. Прикидывают, во что обходится их простой. Задал вопрос: каким может быть выход из создавшейся ситуации? И спустя минуту сообщают, что выход будем искать сегодня на уроке, опираясь на физические закономерности. Знакомят учеников с методом работы - <мозговой атакой>. Суть ее в том, что весь класс <бросается> на решение проблемы, каждый имеет право и должен высказать идею; любая из них, даже самая нелепая на первый взгляд, должна быть обсуждена. Отбрасывая совместными усилиями неподходящие предложения, движемся к рациональному решению задачи.

Первое из высказанных предложений - построить шлюзы (действуют по принципу сообщающихся сосудов). Идею рассмотрели очень внимательно и отвергли по двум причинам: во-первых, шлюзы обезобразят Санкт-Петербург - город-памятник; во-вторых, такой проект экономически невыгоден, ибо стройка стоит дорого и очень трудоемка. Вторую идею - поднять мосты - отвергли по тем же причинам. Такая же участь постигла и третью идею - построить тоннели под Невой, а мосты разобрать. Предложение углубить дно реки и этим понизить уровень воды в Неве вначале было отвергнуто как ошибочное: ведь в Неву по закону сообщающихся сосудов хлынут воды из Балтийского моря и уровень воды установится прежний. Правда, потом к этой идее вернулись - может быть, стоит отгородить Неву от моря плотиной и потом построить шлюз? Отказались и от этого замысла, поскольку предстояли очень уж большие экономические затраты: кроме углубления реки, строительства плотины и шлюза, пришлось бы укреплять берега, принимать меры, предохраняющие от стока дождей, учитывать экологические последствия. Наконец, была высказана идея строительства шлюза под мостом; для этого дно реки углубляют только в районе моста; шлюз, укрепляющий и мост, и берег, изготавливают на верфи и буксируют к мосту. Обсудили, как будет проходить проводка судов в этом случае: судно заходит в щлюз - закрывают входные ворота, производят откачку воды - судно опускается и проходит под мостом; выходные ворота открываются - уровень воды в шлюзе повышается и судно выходит из шлюза. Подвергнув разбору этот проект, пришли к выводу, что придется очень много перекачивать воды, а это вызовет большие затраты электроэнергии и сильную задержку прохождения судов. Тогда родилась идея трехкамерного шлюза. Длина крайних камер не меньше длины самого длинного судна, а длина средней - не меньше двух длин такого судна плюс ширина моста. В центральной камере все время поддерживается низкий уровень воды, что облегчает процесс шлюзования, сокращает перекачку воды. Рассмотрели, как происходит проводка судов, последовательность открытия и закрытия ворот. Смотрю на часы. Прошло 30 мин урока. Я не подсказал ученикам ни одной идеи, а только помогал их отвергать, и то не часто.

У учеников был такой творческий подъем, что сразу же родилась идея парома-шлюза. Суть ее такова. В районе моста углубляют дно реки. Паром-шлюз, заполненный водой, имеет большую осадку, а надводную часть очень низкую, так что он свободно проходит под мостами; судно заходит на паром - из шлюза откачивают воду - корабль опускается до тех пор, пока верхняя его часть не сравняется с верхней кромкой шлюза; паром с судном свободно проходит под мостом.

Осталось еще несколько минут урока. Задают ученикам вопрос: нельзя ли еще где-нибудь использовать идею парома-шлюза? Поразмыслив, ребята предложили применить это устройство для швартовки океанских судов у берега при мелководье. Выяснили требования к нему. Оказалось, что, исполняя новую роль, паром-шлюз должен иметь очень малую осадку и большое водоизмещение (значительную ширину и длину). Работает он так: вначале затопляется и в него входит судно; далее из шлюза откачивают воду - паром всплывает и идет к берегу.

Когда подводится итог урока, то убеждаемся: три сравнительно приличные идеи, но главное - и преподаватель, и ученики почувствовали полет мысли, творческое вдохновение, приобщение к изобретательству!

Творческие приемы

Формировать у учащихся изобретательские умения помогает ряд приемов. Ниже-информация о них.

На обычных уроках используются специальные конструкторские и изобретательские задания. Дают их уже с VII класса.

Вначале ставят цель: например, изготовить и отградуировать тот или иной прибор. Как это сделать, ученикам не говорят, но перед ними располагают приборы и материалы, которые можно использовать. Затем знакомят с планом работы или напоминают его: придумать идею, выполнить проект, т.е. начертить схему на бумаге, объяснить действие установки, сделать прибор, провести его градуировку и объяснить этот процесс, указать возможности прибора и пути его усовершенствования, назвать иные варианты конструкции. Класс разбивают на группы (как правило, в каждой не более трех-четырех человек), командира не назначают: он обнаруживается сам. Начинается работа. Все думают, обсуждают предложения, совещаются. По мере надобности преподаватель подходят к группам и даёт индивидуально-групповые консультации. В конце проводится смотр работ.

Выполнение задания оценивается следующим образом: сделан эскизный проект - 1 балл; объяснена работа устройства - 5 баллов; изготовлен прибор - 1 балл; отградуирован - 1 балл; дано объяснение, как проведена градуировка, - 5 баллов; указаны технические возможности прибора - 3 балла (за называние цены деления - 1 балл, пределов измерения - 1 балл, области применения - 1 балл); за каждый предложенный иной способ изготовления прибора - 3 балла.

Привожу некоторые конструкторско-изобретательские задания: изготовить и отградуировать термометр, сконструировать весы, сделать и проградуировать датчик давления, изготовить ареометр ( VII класс), сконструировать электрические цепи разного назначения ( VIII класс), изготовить спидометр ( IX класс).

Для развития умения конструировать дают задания и другого типа, например такие, как приведенные ниже:

•  Что необходимо сделать, чтобы лабораторный манометр превратить в барометр? (Ответ. Запаять отверстие трубочки, идущей к коробке манометра.)

•  Что можно измерить прибором, схема устройства которого показана на рисунке 49? (Ответ. Атмосферное давление, высоту горы.)

•  Что нужно выполнить, чтобы вольтметр стал амперметром? Как провести эту переделку? (Ответ. Рассчитать и подключить к вольтметру шунтирующее сопротивление.)

•  Как из обычного компаса сделать измерительный прибор? В какие приборы можно осуществить превращение компаса? Как эти приборы будут работать? (Ответ. Компас может стать, например, амперметром, если поверх него намотать несколько витков проволоки и пропустить по ней электрический ток.)

Ниже приведены варианты выполнения учащимися некоторых конструкторских заданий.

На рисунке 50 изображено устройство ареометра. Он состоит из линейки и прикрепленного к ней внизу куска пластилина. (Для того чтобы линейка не намокала, ее натирают воском.) Меняя форму пластилина, добиваются плавания линейки вертикально вдали от стенок сосуда.

В воду добавляют взвешенные порции соли и рассчитывают плотность раствора. Опуская в него ареометр, наносят на линейку деления, отмечающие уровни жидкости, где и ставят значения плотности жидкости,

На рисунке 51-одна из конструкций измерителя скорости - спидометра. Движущийся под действием груза брусок (тело) приводит во вращение ротор небольшого электрогенератора. ЭДС генератора пропорциональна скорости вращения ротора, последняя же зависит от скорости перемещения бруска. Поэтому достаточно соединить генератор с вольтметром, чтобы по отклонению его стрелки судить о скорости движения тела. Градуирование прибора производится с помощью секундомера и линейки: линейкой измеряют перемещение бруска, а секундомером-затраченное время; рассчитывают значения скорости движения тела и соответствующие им показания вольтметра.

В целях развития интереса учащихся к физике и изобретательству использую такие приемы: Выдача эмоционально поданной информации об истории создания изучаемого по программе физического прибора или об открытии изучаемого физического эффекта.

Так, в группе электрогазосварщиков на уроке физики рассказывают об изобретении электрической дуги русским ученым-электротехником В. В. Петровым (используя для этого статью <...Ясно освещен быть может> из журнала <Изобретатель и рационализатор> - ИР. - 1986. - © 1); учащимся - будущим связистам - сообщаю историю изобретения телефона американским ученым А. Г. Беллом (по статье <Что-то не ладилось>; журнал ИР. - 1987. - © 5).

Минуты пропаганды изобретений. После объяснения новой темы зачитывают заметки из журналов <Изобретатель и рационализатор>, <Юный техник> об изобретениях молодых людей (иногда даже учеников), основанных на материалах только что изученной темы. Так, после рассмотрения вопроса <Кристаллы> дала информацию из ИРа о следующем способе сварки разнородных материалов: деталь, у которой материал имеет крупную кристаллическую решетку, сжимают, а ту, у которой решетка мельче, растягивают, затем обе детали нагревают и прижимают друг к другу; они хорошо свариваются, притом при уменьшенном расходе энергии.

Обсуждение телепередачи <Требуется идея>. Если задачи, поставленные в телепередаче, не совпадают с темой урока, увязывают их с изученными вопросами программы, что является своеобразным повторением пройденного материала.

Постановка изобретательских задач. Эти задачи, обычно очень жизненные, связывают с изучаемыми темами и физическими эффектами. Например, ставят задачи: дать основанные на физике идеи модернизации классной доски (отметим, что от учеников поступили предложения об электростатической и вибрационной очистке доски от мела); придумать, как обнаружить повреждение внутренней электрической проводки в квартире; предложить способ экономии электрической энергии в классе и т. д.

Выполнение творческих заданий, связанных с практическими работами по физике. Эти задания относятся к используемой на лабораторных работах и в физическом практикуме измерительной аппаратуре и связаны с ее усовершенствованием, модернизацией или созданием аналогичных приборов, но имеющих новые функции.