М.Е. Тульчинский. О решении качественных задач

Учебное пособие кандидата педагогических наук, доцента М.Е. Тульчинского «Качественные задачи по физике», предназначенное советских школьников 7-8 классов, пользовалось заслуженной популярностью среди учителей в 1970-х —1980-х, благодаря удачному подбору ясно сформулированных вопросов, позволяющих на качественном уровне обсудить важные физические закономерности в окружающем нас мире. В 1967—1974 гг. автор заведовал кафедрой общей физики Калужского государственного университета имени К.Э. Циолковского... В 2012—2020 гг. мы не раз опробовали задачи Мордехая Ейзиковича Тульчинского (1919—1992) на студентах и выпускниках инженерно-технических российских вузов, к стыду отметив, что жертвам ЕГЭ уже не под силу то, что могли успешно проделывать восьмиклассники в годы СССР. Здесь приводится вступление автора к прижизненному изданию.

Качественной задачей по физике называется такая задача, в которой ставится для разрешения проблема, связанная с качественной стороной физического явления, решаемая путем логических умозаключений, основанных на законах физики, путем построения чертежа, выполнения эксперимента, но без применения математических действий.

Следует отличать качественную задачу oт вопроса по проверке формальных знаний (например, что называется ампером, как формулируется закон Ома). Цель последних — закрепить формальные знания учащихся; ответы на эти вопросы в готовом виде имеются в учебнике, и ученик должен лишь вспомнить их. В качественной задаче ставится такой вопрос, ответ на который в готовом виде в учебнике не содержится. (Например: если движущийся автомобиль резко затормозит, то его передок опускается. Почему?) Ученик должен составить ответ на качественную задачу, синтезируя данные условия задачи и свои знания по физике.

Решение качественных задач способствует осуществлению дидактического принципа единства теории и практики в процессе обучения физике. В частности, применение экспериментальных задач развивает умение и навыки учащихся в обращении с физическими приборами, макетами, установками и моделями. Качественные задачи с производственным содержанием знакомят учащихся с техникой, расширяют их кругозор, являются одним из средств подготовки учащихся к практической деятельности. Таким образом, решение качественных задач по физике является одним из важных приемов политехнического обучения.

Использование качественных задач способствует более глубокому пониманию физических теорий, формированию правильных физических представлений, следовательно, предупреждает формализм в знаниях учащихся. Решение качественных задач вызывает необходимость анализировать и синтезировать явления, т. е. логически мыслить, приучает учащихся к точной, лаконичной, литературно и технически грамотной речи.

В процессе решения качественных задач прививаются навык наблюдательности и умение различать физические явления в природе, быту, технике, а не только в физическом кабинете. Развиваются смекалка, сообразительность, инициатива и творческая фантазия учащихся.

Чтобы решить качественную задачу, ученик должен уметь физически мыслить: понимать и излагать сущность состояний тел и процессов, происходящих в них, вскрывать взаимосвязь явлений (причинно-следственные зависимости), уметь на основании законов физики предвидеть ход явления. Итак, решение качественных задач дает возможность учителю установить глубину теоретических знаний и понимание учащимся изучаемого материала.

Значение этих задач состоит также и в том, что они вызывают большой интерес у учащихся, создают их устойчивое внимание на уроке, позволяют учителю оживить урок эмоционально, увлечь учащихся, активизировать их мыслительную деятельность, разнообразить методы изложения. Таким образом, решение качественных задач есть один из приемов де-лектаризации обучения (delectare (лат.) — увлекать, доставлять наслаждение, радовать, восхищать, привлекать).

Методическая ценность качественных задач проявляется особенно при изучении таких разделов курса физики, в которых нет физических формул и явления рассматриваются лишь с качественной стороны (например, закон инерции, электромагнетизм).

Большую роль играют качественные задачи во внеклассной работе: в физических кружках, вечерах занимательной физики, школьных, областных и республиканских олимпиадах, в конкурсах и встречах команд КВН и др.

Психология указывает на одну из особенностей детей среднего школьного возраста — конкретно-образное мышление. Детям более доступны понятия, основанные на конкретных предметах, на осязаемой наглядности, чем понятия, устанавливаемые на абстракциях. Подростку более понятен индуктивный, а не дедуктивный путь установления физического закона. Качественные задачи, связанные с конкретными, хорошо известными детям предметами, легко воспринимаются учащимися, и те их решают охотнее, чем количественные задачи. Итак, на первой ступени изучения детьми физики качественные задачи в преподавании играют большую роль, чем количественные.

Рассмотрим методику решения простых качественных задач — качественных вопросов. При решении любых задач по физике анализ и синтез неразрывно связаны между собой. Поэтому можно говорить лишь о едином аналитико-синтетическом методе решения физических (и, в частности, качественных) задач.

Пример 1. Одинаковы ли выталкивающие силы, действующие на один и тот же деревянный брусок, плавающий сначала в воде, а потом в керосине?

Решение. Выталкивающая сила, действующая на погруженное в жидкость тело, равна весу вытесненной им жидкости. (Логическая посылка, основанная на известном физическом законе.) Брусок в обеих жидкостях плавает. (Логическая посылка, основанная на условии задачи.) Тело плавает, если вес тела равен весу вытесненной им жидкости. (Логическая посылка, основанная на известном физическом законе.) Так как в обеих жидкостях один и тот же брусок плавает, то он вытеснит одинаковые по весу количества жидкостей, следовательно, выталкивающие силы в них будут одинаковыми. (Вывод, полученный на основании имеющихся посылок.)

Итак, ответ на качественный вопрос можно было получить, синтезировав известный закон (об условии плавания тела) и условия задачи (тело плавает в обеих жидкостях).

Пример 2. Каким образом человек, стоящий обеими ногами на полу, может быстро удвоить давление, производимое на опору?

Решение. 1.Анализ. Давление, производимое стоящим человеком, прямо пропорционально его весу и обратно пропорционально площади обеих ступней ног, соприкасающихся с полом. (Первая посылка.) Человек стоит на двух ногах. (Вторая посылка.) 2. Синтез. Быстро удвоить давление на пол человек может, либо увеличив свой вес вдвое (например, подняв штангу), либо уменьшив площадь опоры вдвое (например, приподняв одну из ног и оставшись стоять на второй ноге). Так как в условии задачи никакой груз не дан, то в качестве ответа принимаем второй способ решения задачи.

Пример 3. Почему человек, выходя из реки, даже в жаркий летний день испытывает ощущение холода?

Решение. 1. Анализ. Охлаждение (понижение температуры) тела человека происходит в результате потери телом некоторого количества теплоты. (Первая логическая посылка.) На коже искупавшегося человека есть вода. (Вторая логическая посылка.) При испарении воды увеличивается ее внутренняя энергия. Это увеличение энергии некоторого количества воды может произойти за счет уменьшения энергии другого тела. (Третья логическая посылка.) 2. Синтез. Вода, испаряясь с поверхности тела человека, отбирает у кожи некоторое количество теплоты. Вследствие этого внутренняя энергия кожи человека уменьшается и происходит ее охлаждение.

Решение качественного вопроса можно представить в виде пяти этапов:

1. Знакомство с условиями задачи (чтение текста, разбор чертежа, изучение прибора и т. п.), уяснение главного вопроса задачи (что неизвестно, какова конечная цель решения задачи).

2. Осознание условий ‘задачи (анализ данных задачи, физических явлений, описанных в ней, введение дополнительных уточняющих условий).

3. Составление плана решения задачи (выбор и формулировка физического закона или определения, соответствующих условиям задачи; установление причинно-следственной связи между логическими посылками задачи).

4. Осуществление плана решения задачи (синтез данных условия задачи с формулировкой закона, получение ответа на вопрос задачи).

5. Проверка ответа (постановка соответствующего физического эксперимента, решение задачи другим способом, сопоставление полученного ответа с общими принципами физики (законом сохранения энергии, массы, заряда, законами Ньютона и др.).

Решение сложной качественной задачи также осуществляется этими пятью этапами, но при знакомстве с условиями задачи обращается внимание на ее главный вопрос, на конечную цель решения. При составлении плана решения задачи строится аналитическая цепь умозаключений, начинающаяся с вопроса задачи и оканчивающаяся данными ее условия или формулировками законов и определений физических величин. На четвертом этапе составляется синтетическая цепь умозаключений, начинающаяся с формулировки определений физических величин, соответствующих законов, с описания свойств, качеств, состояний тела и оканчивающаяся ответом на вопрос задачи.

При решении качественных задач применяются основанные на аналитико-синтетическом методе следующие три приема: эвристический, графический и экспериментальный. Они могут и сочетаться, дополняя друг друга.

Эвристический прием состоит в постановке и разрешении ряда взаимосвязанных целенаправленных качественных вопросов. Каждый из них имеет свое самостоятельное значение и решение и одновременно является элементом решения всей задачи.

Этот прием прививает навыки логического мышления, анализа физических явлений, составления плана решения задачи, учит связывать данные ее условия с содержанием известных физических законов, обобщать факты, делать выводы.

Следует различать три формы осуществления эвристического приема решения качественных задач в процессе обучения физике:

а) форма наводящих вопросов предполагает постановку учителем ряда вопросов и ответы на них учащихся. Это первая ступень обучения;

б) вопросно-ответная форма предполагает постановку самим учащимся вопросов и ответы на них. Как правило, решение представляется в письменном виде;

в) повествовательная (ответная) форма предполагает ответы учащихся на мысленно поставленные перед собой вопросы. Решение представляется в виде логически и физически связанных между собой тезисов (предложений), образующих цельный рассказ.

Графический прием решения качественных задач состоит в составлении ответа на вопрос задачи на основании исследования графика функции, чертежа, схемы, рисунка, фотографии и т. п.

Достоинством этого приема является наглядность и лаконичность решения. Он развивает функциональное мышление школьников, приучает их к точности, аккуратности. Особенно велика его ценность в тех случаях, когда дана последовательность рисунков, фиксирующих определенные стадии развития явления или протекания процесса.

Экспериментальный прием решения качественных задач заключается в получении ответа на вопрос задачи на основании опыта, поставленного и проведенного в соответствии с ее условием. В таких задачах обычно предлагается ответить на вопросы «Что произойдет?» и «Как сделать?»

В процессе экспериментального решения качественных задач учащиеся становятся как бы исследователями, развиваются их любознательность, активность, познавательный интерес, формируются практические умения и навыки.

При правильно поставленном опыте ответ получается быстро, он убедителен и нагляден. Так как сам эксперимент не объясняет, почему так, а не иначе протекает явление, то его сопровождают словесным доказательством.

В ряде случаев учащиеся, не владея навыками логического мышления, применяют прием выдвижения гипотезы (интуитивное мышление). Этот путь решения задачи не следует отвергать. Наоборот, надо тщательно рассмотреть любое предложение, любую физическую идею решения задачи, доказать либо ее применимость, либо несостоятельность. При этом, конечно, завяжется дискуссия, которая будет способствовать развитию физического и логического мышления учащихся.