VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Возможности использования конструкторов LEGO на уроках физики. Исследование характеристик цепей постоянного тока с помощью конструктора LEGO.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Как сделать так, чтобы урок физики был интересным, чтобы наука стала понятной?
Школьнику трудно заинтересоваться абстрактными понятиями, выучить материал, если не понимаешь цели его изучения.
Деятельность – это первое условие развития у школьника познавательных процессов. То есть, чтобы ребенок развивался, необходимо его вовлечь в деятельность. Образовательная задача заключается в создании условий, которые бы спровоцировали действие. Такие условия легко реализовать в образовательной среде LEGO.
Игра – необходимый спутник детства. С конструкторамиLEGOшкольники учатся, играя. Дети – неутомимые конструкторы, их творческие способности оригинальны. Школьники конструируют постепенно, «шаг за шагом», что позволяет двигаться, развиваться в собственном темпе, стимулировать решение новых, более сложных задач. Конструктор LEGO помогает школьникуработать и видеть конечный результат. А любой успех побуждает желание учиться.
Все это объясняет актуальность исследования.
Целью исследования является разработка лабораторных работ по физике с последующим анализом их эффективности на уроке физики.
Задачи исследования:
изучить литературу по данной теме;
проанализировать сильные и слабые стороны исследования физических явлений с помощью конструктора;
провести эксперимент, доказывающий эффективность обученияна уроках физики с помощью конструкторов LEGO.
Гипотеза –обучение на уроках физики с помощью конструкторов LEGOповышает эффективность обучения. Базой исследования выступили 100 школьников в возрасте от 13 до 18 лет.
Предмет: конструктор LEGO.
Объект: эффективность обученияс конструктором LEGOна уроках физики.
Методы:
- анализ;
- анкетирование;
- эксперимент;
- наблюдение.
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ
LEGO — это разновидность игрушек, представляющих собой конструкторы на основе пластиковых деталей, которые крепятся между собой. Наборы LEGO выпускает группа компаний LEGOGroup, головной офис которой находится в Дании.Слово «LEGO», позже ставшее названием компании, появилось в 1934 году, от выражения «leggodt» — «увлекательная игра». Сам знаменитый пластиковый кубик LEGO, который мог соединяться с другими подобными деталями, появился только в 1947 году.
LEGO-конструкторы используют как универсальное наглядное пособие и развивающие игрушки. Универсальный конструктор побуждает к умственной активности и развивает моторику рук. Они задуманы таким образом, что в них постоянно можно черпать новые идеи. Дополнительные элементы, содержащиеся в каждом наборе конструкторов, позволяют создавать модели собственного изобретения. Наборы позволяют постигать взаимосвязь между различными областями знаний. Интересные и несложные в сборке модели LEGO дают ясное представление о работе механических конструкций, о силе, движении и скорости. Из разных деталей конструктора можно построить уменьшенные аналоги различных механических устройств.
Понять механику, динамику или оптику гораздо проще, увидев их в действии. На уроке можно дать определения и записать на доске формулы для кинетической и потенциальной энергии — и считать тему пройденной. А можно собрать экспериментальную установку и показать, что энергию можно генерировать с помощью приводного рычага, ветряка или солнечных батарей. Показать мультиметр, который накапливает и хранит эту энергию, и попросить сравнить эффективность каждого способа с помощью микрокомпьютера, который фиксирует данные с мультиметра. Звучит сложно, но только потому, что эта установка не стоит перед вами. Когда физика реально работает, а не состоит только из формул и схем в тетради, она никому не покажется скучной и непонятной. Благодаря применению данных из разных школьных дисциплин — математики, физики и информатики — ученик понимает, как те или иные знания можно применить на практике, чем они могут быть полезны в реальной жизни и в чем их прикладной характер.
Конструирование — это процесс выбора структуры пространственных и энергетических взаимосвязей и связей с окружающей средой и объектами физических тел, их материалов и обработки, установление значений величин (норм), пользуясь которыми можно изготовить изделие, отвечающее заданным требованиям.
Конструирование (от лат. const-ruo — «создавать» или «строить») – это продуктивный вид деятельности, направленный на создание определенного предмета, постройки. Конструированием называют сам процесс, во время которого воспроизводится модель чего-либо.
В обучении школьников используют такие виды конструирования, как:
- Конструирование по схемам и шаблонам;
- Конструирование по образцу;
- Конструирование по заданной теме
- Конструирование по собственному замыслу;
- Конструирование по условиям;
- Конструирование по модели.
Физика – один из самых интересных предметов естественнонаучного цикла, но, несмотря на научно-технический прогресс, интерес учащихся к нему падает. Это от части потому, что физика – один из самых емких и сложных предметов в школьном курсе.
К сожалению, учащиеся редко сами проявляют активность, она, как правило, является следствием грамотных педагогических действий. Учителю необходимо преобразовывать учебный процесс – из скучного однообразного в радостный, то есть педагогу необходимо разными способами мотивировать учащихся. Я считаю, что самым интересным для учащихся этого возраста может быть или игра, или поисковая, исследовательская деятельность, или деятельность, предполагающая свободный выбор задания, так как именно в этом случае учащиеся чаще всего достигают успеха. Однако, возможно и использование конструктора на уроках непосредственно в учебной деятельности.
В восьмом классе учебной программой предусмотрено изучение источников энергии. Конечно, мы наиболее знакомы с батарейками, аккумуляторами и другими бытовыми устройствами. А вот с альтернативными источниками- только понаслышке.
Поэтому, когда учитель предложил мне разработать и провести совместно несколько лабораторных работ на тему «Альтернативные источники энергии». Я с радостью согласилась.
К альтернативным видам относятся источники, использующие солнечную энергию, энергию ветра, энергию приливов и отливов, разницу температур (явление Зеебека), концентраций (явление Пельтье), геотермальную энергию. Конечно, мне не представлялось возможным проделать все эти опыты и разработать лабораторные работы, но некоторые из них получились с помощью конструктора LEGO.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Я, вместе с учителем физики разработала и проделала несколько лабораторных работ, подтверждающих возможность получения энергии от альтернативных источников. Кроме того, были разработаны работы для более старших учащихся в области электромагнитного взаимодействия, радиоволн и т.д. Вот несколько из разработанных заданий. В отличие от традиционных описаний работ, мы сделали вводную часть некоторых работ довольно короткой, чтобы увеличить творческую и исследовательскую составляющую урока.
Лабораторная работа №1.
Альтернативные источники энергии. Энергия солнца.
Цель работы: изучить возможность получения электрического тока с помощью световой энергии.
Оборудование: комплект конструктора LEGO, рабочее поле.
Энергия солнца является одним из самых доступных возобновляемых источников на Земле. Использование солнечной энергии в народном хозяйстве положительно сказывается на состоянии окружающей среды, поскольку для её получения не требуется бурить скважины или разрабатывать шахты. К тому же, этот вид энергии свободный и не стоит ничего. Естественно, что требуются затраты на покупку и монтаж оборудования.
Проблема в том, что солнце – это прерывистый источник энергии. Так, что требуется накопление энергии и использование её в связке с другими энергетическими источниками. Основная проблема на сегодняшний день заключается в том, что современное оборудование имеет низкую эффективность преобразования энергии солнца в электрическую и тепловую. Поэтому все разработки направлены на то, чтобы увеличить КПД таких систем и снизить их стоимость.
Солнце отправляет к поверхности нашей планеты радиацию. Из широкого спектра излучения поверхности Земли достигают 3 типа волн:
Световые. В спектре излучения их примерно 49 процентов;
Инфракрасные. Их доля также 49 процентов. Благодаря этим волнам наша планета нагревается;
Ультрафиолетовые. В спектре солнечного излучения их примерно 2 процента. Они невидимы для нашего глаза.
Поскольку наука на сегодняшний день не имеет устройств, работающих на энергии солнца в чистом виде, её требуется преобразовать в другой тип. Для этого были созданы такие устройства, как солнечные батареи и коллектор. Батареи преобразуют солнечную энергию в электрическую. А коллектор вырабатывает тепловую энергию. Есть также модели, совмещающие эти два вида. Они называются гибридными.
Солнечная батарея. Солнечный коллектор
ПРЕИМУЩЕСТВА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ:
Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике. Все традиционные источники в той или иной мере наносят вред ОС;
Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное (служит до 30 лет). После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала.
НЕДОСТАТКИ
Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
Первоначальные вложения высокие. Особенно это ощутимо для обычных людей при покупке оборудования для частного дома;
Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
Для размещения требуется большая площадь.
В России наблюдается постепенное развитие и уклон делается на развитие солнечной энергетики в регионах Дальнего Востока. Солнечные электростанции строятся в удалённых населённых пунктах Якутии. Это позволяет экономить на завозимом топливе. Строятся электростанции и в южной части страны. Например, в Липецкой области.
Все эти данные позволяют сделать вывод о том, что многие страны мира пытаются максимально внедрить у себя использование солнечной энергии. Это актуально потому, что энергопотребление постоянно растёт, а ресурсы ограничены. К тому же, традиционная сфера энергетики сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому альтернативная энергетика – это будущее. И энергия солнца является одним из ключевых её направлений.
Ход работы.
Собрать электрическую схему.
Измерить значение тока в цепи и построить зависимость тока от расстояния до источника света мощностью 48 Вт.
Сделать вывод по проделанной работе.
|
Расстояние, см |
||||||
|
Сила тока I |
Лабораторная работа №2.
Преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию. Измерение тока нагрузки.
С обрать схему, как показано на рисунке.
Вращать ручку генератора с такой скоростью, чтобы все подключенные устройства работали.
Выявить зависимость силы тока от скорости вращения ручки.
Сделать вывод.
Лабораторная работа №3.
Изучение принципа деятельности полупроводникового диода. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода.
Ц ель работы: изучить физические принципы работы полупроводникового диода. Снять вольтамперную характеристику диода.
Собрать схему.
Убедиться, что полупроводниковый диод проводит ток только в одном направлении.
Изменяя освещенность на фотоэлементе снять несколько значений силы тока через диод и напряжение на нем.
Построить вольтамперную характеристику диода.
Мы разработали целый комплект лабораторных работ о физике для разных классов от 7 (раздел Механика) до 11 (Электромагнетизм, радиотехника и автоматика). При этом подход к разработке был разноплановый. Один вид работ был полностью описан: ход работы, схемы, теория и разработаны таблицы (как пример – лабораторная №1).
В других работах надо было проявить навыки исследователя и предложить метод измерения, схему и способы обработки полученных величин (пример -лабораторная № 2 и №3).
После того, как ряд работ был проведен в нескольких классах и параллелях, я предложила разработанную анкету учащимся. В ней попросила рассказать о преимуществах и недостатках такого вида лабораторного практикума. Учащиеся отметили, что интерес к урокам заметно повысился.
В то же время учитель отметил, что данные лабораторные работы могут способствовать развитию творческих способностей в большей степени, чем традиционные школьные уроки физики, тем более что сейчас есть много различных видов конструкторов, начиная от достаточно простых и заканчивая сложными, вплоть до робототехнических. Кроме того приобретение таких конструкторов не является чрезмерно сложной задачей.
ВЫВОДЫ
В своей исследовательской работе я проанализировала возможность применения конструктора LEGO на уроке физики;
Разработала комплект описаний лабораторных работ разного уровня сложности для разных разделов физики;
Проделала все эти работы и получила результаты измерений, что помогло мне самой в изучении физики;
Провела опрос и анкетирование учащихся с целью изучения целесообразности проведения лабораторного практикума по физике с использованием конструкторов.
При проведении своей работы я узнала много нового в области конструирования и методов проведения эксперимента, а также повысила уровень своих знаний по физике.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Касьянов, В. А. Физика. 10 кл. : учебник для общеобразоват. учреждений / В. А. Касьянов. — 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004.
Касьянов, В. А. Физика. 11 кл. : учебник для общеобразоват. учреждений / В. А. Касьянов. — 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004.
Трофимова, Т. И. Физика. 10—11 кл. / Т. И. Трофимова. — М. : ОНИКС 21 век, 2004.
Альтшуллер Г.С. И тут появился изобретатель. - М.: Детская литература, 1987.
2. Половинкин А.И. Основы технического творчества. - М.: Машиностроение, 1988.
3. Саламатов Ю.П. Как стать изобретателем. - М.: Просвещение, 1990.
Комарова Л.Е «Строим из Lego» (моделирование логических отношений и объектов реального мира средствами конструктора Lego).-М.; Линка Прес,2001г.
http://playpack.ru/flash/igri_strategii/igri_stroit_doma/igri_stroit_doma_lego.html
Примеры для моделирования по образцу http://rebrickable.com/img/sets-b/4408-.jpg" http://www.kidz.ro/6318-9216-thickbox/lego-duplo-set-constructie-safari.jpg"
Примеры для моделирования по схеме http://bricks.argz.com/bricksfiles/lego/04000/4408/007.jpg"
http://bricks.argz.com/bricksfiles/lego/04000/4408/029.jpg
ПРИЛОЖЕНИЕ