Проблемное обучение. Одним из наиболее эффективных методов развития познавательных и творческих способностей учащихся в процессе обучения физике является метод проблемного обучения. В процессе применения этого метода школьники могут научиться видеть, осознавать проблемы, возникающие в процессе изучения природных явлений, выдвигать гипотезы для объяснения наблюдаемых явлений и закономерностей, предлагать модели явлений или процессов, проверять пригодность выдвинутых гипотез или предложенных моделей для разрешения обнаруженных проблем. Рассмотрим несколько примеров возможного использования метода проблемного обучения при изучении физики.
      Природа силы трения. Изучение явления трения на первый взгляд не должно вызывать у школьников никаких особых затруднений, так как основные закономерности этого явления просты и доступны для самостоятельного обнаружения учащимися. В действительности трудности изучения в этой теме есть, и не только для учащихся.
      Прежде всего трудно объяснить учащимся 7 класса природу силы трения, так как они еще не имеют систематических знаний ни о строении вещества, ни об электрических зарядах и силах их взаимодействия. Именно поэтому в учебнике вопрос о природе силы трения, по существу, не рассматривается. Однако учителю нужно быть готовым к вопросам учащихся подобного рода.
      На вопрос ученика о том, что же мешает движению одного твердого тела по поверхности другого, можно ответить постановкой первой проблемы: «Сначала вы мне ответьте на вопрос, почему вообще оказывается возможным движение одного твердого тела по поверхности другого, а потом я отвечу на вопрос о том, что же мешает этому движению».
      Смысл этого вопроса можно пояснить следующим образом. Вот два деревянных бруска. Каждый из них под действием небольшой силы легко движется по поверхности другого. Но один брусок сам состоит из двух брусков, только он еще не распилен. Попробуйте эти два бруска сдвинуть относительно друг друга. Эта задача оказывается непосильной любому человеку. Что же мешает движению одной половины бруска относительно другой?
      Наверное, в каждом классе найдется ученик, который выскажет гипотезу: мешают силы взаимного притяжения, действующие между мельчайшими частицами твердого вещества, называемыми атомами и молекулами.
      Подтвердив правильность высказанной гипотезы, можно сразу же поставить перед учащимися вторую проблему: если между атомами или молекулами твердого тела действуют такие большие силы притяжения, то почему две металлические пластинки, помещенные одна на другую, не соединяются в одну пластину вдвое большей толщины? Почему оказывается возможным движение одной пластинки по поверхности другой под действием очень малой силы? Почему разрезанная пополам металлическая пластина не соединяется снова в одну целую, если приложить одну половинку к другой?
      К решению второй проблемы школьников можно подтолкнуть таким вопросом: как будет выглядеть гладкая поверхность металлической пластины, если ее рассмотреть в микроскоп с большим увеличением?
      Ученик, имеющий опыт наблюдений с помощью микроскопа, ответит, что при рассматривании в микроскоп с большим увеличением поверхность любого тела оказывается очень неровной, покрытой выступами и впадинами, царапинами, острыми вершинами.
      Итак, пластинки соприкасаются между собой не всей поверхностью, а лишь небольшой ее частью. Силы межатомного притяжения действуют только между малой долей атомов на соприкасающихся участках поверхностей и потому очень слабы.
      Можно высказать гипотезу о том, что более удаленные друг от друга атомы на поверхностях пластинок не действуют друг на друга, потому что силы межатомного притяжения действуют только на очень малых расстояниях.
      Теперь возникновение силы трения можно объяснить тем, что для перемещения одного тела по поверхности другого необходимо преодолеть силы межатомного притяжения на участках соприкосновения, которые тотчас начинают действовать на вновь возникших участках соприкосновения.
      После объяснения природы силы трения можно поставить перед учениками третью проблему: почему сила трения увеличивается с возрастанием силы нормального давления?
      Можно ожидать, что кто-то из них выскажет гипотезу о том, что с возрастанием силы нормального давления увеличивается поверхность фактического соприкосновения тел, а это ведет к увеличению числа межатомных связей и возрастанию силы трения.
      Теперь можно поставить четвертую проблему: как должна влиять обработка трущихся поверхностей на силу трения и как это происходит в действительности?
      Согласно данному выше объяснению, с повышением качества обработки поверхности тел сила трения должна возрастать, так как при этом увеличивается поверхность фактического соприкосновения тел. Однако на практике для уменьшения силы трения поверхности тел шлифуют и полируют как можно лучше. Как можно объяснить этот факт?
      Можно вполне рассчитывать на самостоятельное решение некоторыми учащимися и этой проблемы, если при решении второй проблемы на доске или на слайде проектора будет выполнен рисунок, который смог бы служить подсказкой для решения четвертой проблемы. На этом рисунке выступы и впадины на соприкасающихся поверхностях должны быть схематически представлены так, чтобы была очевидной неизбежность процессов частичного разрушения трущихся поверхностей тел при относительном перемещении. Следы такого разрушения поверхностного слоя тел при скольжении можно наблюдать в виде черных полос на асфальте, оставленных шинами автомобиля при резком торможении, в виде линий на листе белой бумаги, возникающих при трении грифеля карандаша о поверхность бумаги. Выяснив вторую причину возникновения силы трения, легко объяснить уменьшение коэффициента трения при повышении качества обработки соприкасающихся поверхностей.
      Следующая, пятая проблема может быть сформулирована так: «О силе трения мы сделали два утверждения, которые привели к противоположным выводам. Если сила трения мала из-за небольшой поверхности соприкосновения, то при повышении качества обработки соприкасающихся поверхностей она должна возрастать. Если сила трения уменьшается при уменьшении неровностей на соприкасающихся поверхностях, разрушаемых при скольжении, то при повышении качества обработки соприкасающихся поверхностей сила трения должна уменьшаться. Так что же происходит на самом деле?»
      Эта проблема из-за ее сложности, скорее всего, должна быть разрешена учителем. Он может обратить внимание учащихся на тот факт, что и при хорошей обработке поверхностей между ними остаются мельчайшие пылинки и молекулы газов воздуха, действующие как тонкий слой смазки. Так что обычно повышение качества обработки соприкасающихся поверхностей ведет к уменьшению коэффициента трения. Однако при достижении определенного уровня гладкости поверхности и ее чистоты картина резко меняется и поверхности прочно соединяются друг с другом. Этот эффект можно наблюдать на примерах слипания полированных предметных стекол для микроскопа, свежеобработанных поверхностей свинцовых цилиндров.
      Расширение твердых и жидких тел при нагревании. Ознакомление с явлением расширения твердых и жидких тел при нагревании следует начинать с наблюдений этого явления в опытах. Эти опыты целесообразно выполнять не как иллюстрацию к рассказу о явлении, а как решающие эксперименты по проверке собственных гипотез учащихся. В этом случае обеспечен неподдельный интерес и внимание учащихся к опытам.
      Но чтобы появились гипотезы учащихся, нужно поставить проблему, требующую экспериментальной проверки. В случае использования шара с кольцом проблему можно сформулировать следующим образом: «Посмотрите, у нас есть шар и кольцо, изготовленные из одинакового металла. Шар проходит через кольцо.
      А пройдет ли шар через кольцо, если нагреть шар и кольцо?
      А пройдет ли шар через кольцо, если нагреть только шар?
      А пройдет ли шар через кольцо, если нагреть только кольцо?
      Обоснуйте свои утверждения».
      Нужно ли предлагать три варианта эксперимента? Нужно хотя бы из-за того, что почти каждый учащийся без ошибки ответит на второй вопрос, а на первый и третий вопросы будут предлагаться разные ответы. Это и сделает проведение эксперимента интересным для учащихся и позволит выяснить, кто же прав. Загадка состоит в том, что произойдет при нагревании кольца: увеличится радиус его отверстия или уменьшится. Одним кажется логичным предположить, что при нагревании кольца отверстие уменьшается, так как кольцо расширяется во все стороны. Другим кажется логичным предположить, что при нагревании кольца отверстие увеличится, а третьи могут предположить, что размеры отверстия не будут изменяться, так как оно не нагревается.
      Обсудив все возможные варианты, можно приступить к их экспериментальной проверке и путем опытов установить, какая из гипотез верная. Для успешного проведения опытов необходимо нагревание более чем на 100 °С. Поэтому нужно использовать либо пламя спиртовки, либо сухое горючее (рис. 1).

Рис. 1

      Разумеется, все опыты учитель должен предварительно выполнить, чтобы знать, как нужно располагать нагреваемые детали в пламени, сколько времени их нужно нагревать, как перемещать нагретые детали, чтобы не получить ожога. Учащимся эти эксперименты поручать не следует.
      После завершения эксперимента полезно возвратиться к обсуждению результатов и найти теоретический способ доказательства утверждения о том, что отверстие кольца должно расширяться. Это утверждение можно доказать методом мысленного эксперимента.
      Представим себе, что имеется сплошной металлический лист. В этом листе вырежем круглое отверстие, а затем снова вложим вырезанный металлический диск в образовавшееся отверстие в листе. Мы имеем снова сплошной металлический лист. Будем нагревать этот лист. Если рассматривать его как лист с отверстием и вложенным в отверстие диском и считать, что нагревание приводит к уменьшению отверстия, то это уменьшение должно привести к сжиманию вложенного диска. Диск при нагревании расширяется, и это должно привести к возникновению еще больших противоборствующих сил, в результате чего вложенный диск должен быть смят. В действительности нагревание сплошного листа не приводит ни к каким деформациям, следовательно, предположение об уменьшении размеров отверстия при нагревании тела ошибочно.