www.VuzLib.com

Головна arrow Педагогіка arrow Розкриття цілісних відомостей про електромагнітне поле та електромагнітну індукцію в основній школі
Меню
Головна
Каталог освітніх сайтів

Розкриття цілісних відомостей про електромагнітне поле та електромагнітну індукцію в основній школі

В. І. Бурак,
старший викладач
(Криворізький державний педагогічний університет)

РОЗКРИТТЯ ЦІЛІСНИХ ВІДОМОСТЕЙ ПРО ЕЛЕКТРОМАГНІТНЕ ПОЛЕ ТА ЕЛЕКТРОМАГНІТНУ ІНДУКЦІЮ В ОСНОВНІЙ ШКОЛІ

   Постановка проблеми. Вивчення явища електромагнітної індукції (ЕМІ) в основній школі у 1969-1980 роках [10] здійснювали на емпіричному рівні без розкриття фізичного змісту та без відображення двох типів ефектів цього явища. Але в цілому, методика навчання тих років надавала учням певні уявлення про ЕМІ. У вісімдесятих роках вивчення ЕМІ в основній школі звузили до двох параграфів, а потім взагалі перенесли до старших класів. У вітчизняному підручнику [1] поновили й значною мірою вдосконалили методику вивчення явища ЕМІ. З переходом на 12-річний термін навчання курс фізики основної школи (7-9 кл.) повинен бути відносно завершеним і надавати учням цілісні відомості про основні фізичні явища, тому ЕМІ повертають до навчальних програм з 2009/2010 навчального року [9]. Але залишають відносно відокремленим вивчення електричних й магнітних явищ, оминаючи питання їх єдності та існування електромагнітного поля (ЕМП), яке вводять тільки в старшій школі. Це свідчить про актуальність і необхідність удосконалення методики навчання ЕМІ та ЕМП в основній школі у зв’язку з переходом на 12-річний термін навчання.
   На основі аналізу навчальної та науково-методичної літератури можна зробити висновок про необхідність вирішення наступних питань: надання учням на доступному для них рівні цілісних відомостей про ЕМІ, зокрема розкриття фізичної суті двох типів ефектів ЕМІ, а також явища самоіндукції; висвітлення фізичної суті питань практичного використання явища ЕМІ на прикладі генератора змінного електричного струму й трансформатора (традиційна методика обмежується емпіричним рівнем); доопрацювання питання виробництва, передавання і використання електроенергії та взаємозв’язку розвитку електроенергетики з охороною природи; приділення належної уваги порівнянню електричного й магнітного полів та їх відносності; основним недоліком традиційної методики, на нашу думку, є відсутність будь-яких уявлень про ЕМП й об’єднуючої основи під час вивчення електричних і магнітних явищ та ЕМІ.
   Метою дослідження є вирішення зазначених проблем шляхом розкриття цілісних відомостей про ЕМП та ЕМІ в основній школі. Ми досягаємо мети шляхом побудови змісту, структури й методики навчання електромагнетизму в основній школі на принципово нових засадах генералізації навчального матеріалу на основі: 1) понять електромагнітної взаємодії та електромагнітного поля, а також елементів електронної теорії та 2) явищного (феноменологічного ) підходу [ 2; 3; 4; 6] . Навчальний матеріал з електромагнетизму об’єднуємо під спільним заголовком “Електромагнітні явища. Електромагнітне поле”.У змістовому модулі 1 “Початкові уявлення про електромагнітну взаємодію та електромагнітне поле”, який є розширеним вступом до електромагнетизму [3, с. 6-17; 8], розкриваємо початкові відомості про електричну взаємодію та електричне поле, магнітну взаємодію та магнітне поле, електромагнітну взаємодію та ЕМП і формулюємо узагальнені висновки: згідно з сучасними уявленнями існує електромагнітна взаємодія, котра в окремих випадках може проявлятися як електрична чи магнітна взаємодія; електромагнітна взаємодія поширюється у вакуумі зі швидкістю 3· 108 м/с; і снує ЕМП, а електричне поле та магнітне поле – це два види (прояви) “єдиного” ЕМП; наявність електричного чи магнітного полів залежить від вибору системи відліку; електромагнітне (електричне, магнітне) поле має енергію; існує два види матерії – речовина й поле. Після цього у розділі 1 “Електричні явища. Електричне поле” [3, с. 18-99] та у розділі 2 “Магнітні явища. Магнітне поле” [3, с. 100-130] продовжуємо вивчати відповідно електричні (магнітні) явища та поглиблюємо уявлення про електричну (магнітну) взаємодію та електричне (магнітне) поле як прояви електромагнітної взаємодії та ЕМП. У розділі 3 “Електромагнітна індукція. Електромагнітне поле” у межах двох змістових модулів, відображених на рис. 1, завершуємо вивчення електромагнітних явищ, електромагнітної індукції та ЕМП.

рис. 1

   У змістовому модулі “Явище ЕМІ. ЕМП” розкриваємо навчальний матеріал у такій послідовності [3, с. 131-146; 9]:
   1. Відкриття явища електромагнітної індукції. Актуалізуємо знання учнів про електричне та магнітне поля, їх взаємозв’язок, відносність і початкові уявлення про ЕМП. Пропонуємо питання проблемного характеру: Чи може магнітне поле породити електричне поле? (зазвичай говорять тільки про електричний струм). Надаємо історичні відомості, що першим ствердно відповів на аналогічне питання М. Фарадей. Враховуємо сучасні досягнення фізики електромагнітних явищ і надаємо визначення: явище наведення електричного поля (електричних зарядів, електричного струму) магнітним полем називають явищем ЕМІ.
   Відмітимо, що традиційно на початковому етапі вивчення явища ЕМІ враховують наведення в магнітному полі тільки електричного струму. Ми ж одразу націлюємо учнів на розуміння польового трактування ЕМІ, оскільки саме воно дозволяє розкрити фізичну суть явища. На перше місце ставимо наведення магнітним полем електричного поля, а вже потім – електричного струму. Зазначаємо про існування двох типів ефектів явища ЕМІ.
   2. Перший тип ефектів явища ЕМІ. Вихрове електричне поле. Проводимо ряд традиційних дослідів (аналогічних до тих, котрі проводив М. Фарадей) з наведенням індукованого електричного струму в котушці, замкнутій на гальванометр, під час взаємного руху магніту й котушки. Аналізуємо як змінюється кількість ліній магнітного поля та величина магнітного поля, що пронизують контур, утворений замкнутим провідником, і робимо висновок: за будь-якої зміни величини магнітного поля та кількості ліній магнітного поля, що пронизують контур, утворений замкнутим провідником, у цьому провідникові виникає індукований електричний струм, який існує тільки під час цієї зміни. Надаємо поняття змінного магнітного поля як такого, що змінюється з плином часу. На конкретних прикладах і на основі аналізу проведених дослідів, з використанням відповідних рисунків, індуктивним шляхом розкриваємо правило Ленца: індукований (індукційний) електричний струм виникає такого напряму, щоб протидіяти причині, яка його породжує (скорочене формулювання); індукований електричний струм у замкнутому провідникові виникає такого напряму, що магнітне поле індукованого струму протидіє зміні кількості ліній магнітного поля чи зміні величини магнітного поля, котре спричинило цей індукований струм (розширене формулювання). Актуалізуємо знання учнів, що електричний струм по провідникові протікає тільки за наявності електричного поля всередині провідника, а напрям електричного струму відповідає напряму ліній електричного поля. Наявність індукованого електричного струму свідчить про наявність відповідного індукованого електричного поля. Зображуємо картину ліній індукованого електричного поля та звертаємо увагу на їх замкнутість . Надаємо поняття вихрового поля. Підкреслюємо вихровий характер магнітного й електричного індукованого полів. Порівнюємо вихрове індуковане електричне поле й електричне поле електрично зарядженої частинки. Наводимо історичну довідку про Д. Максвелла.
   Формулюємо висновок: суть першого типу ефектів явища електромагнітної індукції полягає у породженні вихрового індукованого електричного поля змінним магнітним полем; лінії вихрового індукованого електричного поля замкнуті; індукований електричний струм у замкнутому провідникові протікає внаслідок виникнення вихрового індукованого електричного поля. Отже, під час вивчення явища ЕМІ ми не обмежуємося емпіричним рівнем і традиційним аналізом виникнення тільки індукованого електричного струму, а одразу з’ясовуємо, що причиною цього електричного струму є наявність вихрового електричного поля , індукованого змінним магнітним полем. Цим самим ми розкриваємо цілісні відомості про ЕМІ.
   3. Явище самоіндукції. Явище самоіндукції є достатньо складним для значної частини учнів навіть у старшій школі. Виникає питання доцільності його вивчення в основній школі. У зв’язку з цим можна зазначити наступне. Якщо мати на меті побудову відносно завершеного базового курсу фізики основної школи, то напрошується висвітлення таких тем як електромагнітні коливання та електромагнітні хвилі, зокрема механізм виникнення електромагнітних коливань у коливальному LС-контурі. А для цього необхідно посилатися на явище самоіндукції. Окрім того, вивчення явища самоіндукції дозволяє на більш високому науковому рівні розкрити принцип дії трансформатора. Саме такий підхід запроваджено у підручнику за редакцією О. Бугайова [1, с. 127–130]. Спочатку проводимо традиційні демонстраційні експерименти, в яких розжарення лампочок чітко свідчить про плавне наростання чи спадання електричного струму. Пояснюємо явище на основі знань учнів про явище ЕМІ та змінне магнітне поле. На завершення надаємо визначення: виникнення індукованого вихрового електричного поля і відповідного індукованого електричного струму в провідникові внаслідок протікання по ньому електричного струму, що змінюється з плином часу, називається явищем самоіндукції (зазвичай говорять тільки про струм).
   4. Індукування електричного поля під час руху провідника в постійному магнітному полі – другий тип ефектів явища електромагнітної індукції. Пояснюємо, що коли провідник рухається в магнітному полі, “перетинаючи лінії поля”, то упровіднику відбувається розподіл електрично заряджених частинок, внаслідок чого на кінцях провідника накопичуються, індукуються позитивно та негативно електрично заряджені частинки, з якими пов’язане індуковане (індукційне) електричне поле, лінії якого починаються на позитивно та закінчуються на негативно заряджених частинках. Якщо ж провідник рухається “вздовж ліній магнітного поля”, то розділення заряджених частинок не відбувається. Підкреслюємо, що індукований електричний струм у провіднику, який рухається прямолінійно й рівномірно, “перетинаючи лінії однорідного магнітного поля”, існує тільки протягом короткого часу перерозподілу електричних зарядів у провіднику. Після цього величина індукованих зарядів не змінюється, тобто струм зникає. Оскільки індукований електричний струм існує не завжди, то основну увагу (на відміну від традиційної методики) звертаємо на індуковані електрично заряджені частинки й пов’язане з ними індуковане електричне поле. Водночас, на досліді легше спостерігати наявність саме індукованого струму. Тому ми використовуємо традиційну демонстрацію виникнення індукованого електричного струму в замкнутому на гальванометр провіднику, що рухається в магнітному полі, “перетинаючи лінії магнітного поля”. Пояснюємо, що аналогічні явища відбуваються у випадку нерухомого провідника, відносно якого рухається магнітне поле (магнітна система). Суттєвим є відносний рух провідника й магнітного поля. Доходимо спільного висновку: індукування електричного поля (електрично заряджених частинок, електричного струму) під ч ас взаємного руху провідника й магнітного поля – це і є другий тип ефектів явища ЕМІ. Порівнюємо спільні та відмінні риси двох типів ефектів явища ЕМІ. Таким чином, під час вивчення явища ЕМІ ми послідовно розкриваємо учням фізичну суть обох типів ефектів ЕМІ на основі їх польового трактування. Аналізуємо відповідні картини ліній індукованого електричного поля, зокрема вихрового електричного поля, але на пропедевтичному рівні. В основній школі не ставиться за мету розуміння деталей картини ліній електричних полів, індукованих магнітними полями. Достатньо розуміння фізичної суті явища ЕМІ. Використання картин ліній індукованого електричного поля сприяє формуванню у свідомості учнів певного образу про це поле і допомагає краще зрозуміти природу ЕМІ.5. Електромагнітне поле. Актуалізуємо знання учнів про електричне поле, магнітне поле, ЕМП, явище ЕМІ. Підкреслюємо, що відкриття явища ЕМІ стало поворотним моментом у розумінні взаємозв’язку і спільної природи електричного та магнітного полів. Обґрунтовуємо узагальнення Д. Максвелла: не тільки змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле, але й, навпаки, змінне електричне поле породжує магнітне поле. Отже, змінні електричне поле та магнітне поле взаємно породжують одне одного. На основі аналізу взаємозв’язку електричного й магнітного полів Д. Максвелл першим передбачив, що електричне й магнітне поля не просто тісно пов’язані між собою, а утворюють спільне ціле – “єдине” ЕМП. Систематизуємо й узагальнюємо уявлення учнів про електромагнітну взаємодію та ЕМП, про “джерела” електричного та магнітного полів і формулюємо висновок. Існує ЕМП – вид матерії, завдяки якому здійснюється електромагнітна взаємодія, що поширюється у вакуумі зі швидкістю 3·108 м/с; ЕМП має енергію. Електричне поле й магнітне поле – це два види (прояви) ЕМП; наявність електричного поля чи магнітного поля залежить від вибору системи відліку. Електричне поле має подвійну природу: 1) електричне поле електрично заряджених частинок (лінії якого починають ся на позитивно та закінчуються на негативно заряджених частинках); 2) вихрове електричне поле, породжене змінним магнітним полем (лінії вихрового поля замкнуті). Магнітне поле завжди вихрове і має потрійну природу: 1) магнітне поле рухомих електрично заряджених частинок, зокрема провідників зі струмом та орбітальна складова магнітного поля речовини; 2) магнітне поле, породжене змінним електричним полем; 3) спінова складова магнітного поля речовини. Зазначимо, що подібна узагальнена характеристика ЕМП та деталізація електричного й магнітного полів як проявів ЕМП використовується нами також під час вивчення електромагнетизму в старших класах і вищій школі.
   У змістовому модулі “Практичне використання явища ЕМІ” вивчаємо навчальний матеріал у такій послідовності [3, с. 147-159; 10]: 6. Генератор змінного електричного струму. 7. Індукований електричний струм у масивних провідниках. 8. Принцип дії та будова трансформатора. 9. Виробництво, передавання на відстань і споживання електроенергії. 10. Електрифікація та охорона природи. Ми не обмежуємося емпіричним рівнем вивченням цих тем, що характерно для традиційної методики, а розкриваємо їх на доступному теоретичному рівні, поєднуючи індуктивний і дедуктивний методи навчання.
   Розкрита вище методика в повній мірі стосується класів з поглибленим вивченням фізики в умовах допрофільної диференціації навчання. Для класів, які працюють за типовою програмою, спрощуємо вивчення навчального матеріалу, орієнтуватися в більшій мірі на емпіричний рівень його опанування, а частину матеріалу взагалі переносимо в старшу школу. У процесі висвітлення першого типу ефектів явища ЕМІ (пункт 2) обмежуємося тільки основним висновком стосовно природи вихрового електричного поля та замкнутості його ліній; аналіз же напряму ліній переносимо в старшу школу. Ознайомлення з явищем самоіндукції (пункт 3) скорочуємо й переносимо у розряд додаткового матеріалу. У процесі розкриття другого типу ефектів явища ЕМІ (пункт 4) обмежуємося емпіричним рівнем, а картину ліній електричного поля індукованих електрично заряджених частинок і пояснення причини їх розподілу переносимо в старшу школу. Під час вивчення практичного використання явища ЕМІ (пункти 6-8) рухаємось в основному індуктивним шляхом: починаємо з емпіричного рівня та доповнюємо його якісним теоретичним обґрунтуванням. Загальні підходи стосовно принципів побудови змісту, структури й методики навчання електромагнетизму в непрофільних класах та у класах з поглибленим вивченням фізики в цілому залишаються єдиними завдяки упровадженій генералізації навчального матеріалу. Відмінність полягає у рівні генералізації, у рівні формування цілісних відомостей, у співвідношенні між індуктивним і дедуктивним методами навчання та між різними формами мислення. Проведений педагогічний експеримент підтвердив високу ефективність пропонованої методики.
   Висновок. Вибудувана нова методика навчання електромагнетизму в основній школі на засадах запровадженої генералізації навчального матеріалу вирішує методичні труднощі традиційної методики та розкриває цілісні відомості з електромагнетизму, зокрема про електромагнітне поле та електромагнітну індукцію в основній школі виключно на якісному рівні, враховуючи вікові особливості розвитку учнів.
   Перспективи подальших пошуків у напрямку дослідження. Планується підготовка та видання навчального посібника з електромагнетизму з грифом Міністерства освіти і науки України та його впровадження у практику навчання основної школи.

ЛІТЕРАТУРА

1. Бугайов О. І. Фізика. Астрономія : пробн. підручник для 9 кл. середн. загальноосвіт. шк. – 2-ге вид. / О. І. Бугайов, І. А. Климишин, Є. В. Коршак та ін.; за ред. проф. О. І. Бугайова. – К. : Освіта, 1999. – 367 с.
2. Бурак В. І. Генералізація електромагнетизму в основній школі / B. І. Бурак // Зб. наук. праць Кам’янець-Подільського держ. ун-ту. Серія педагог. : Дидактики дисциплін фізико-математичної та технологічної освітніх галузей. – Кам’янець-Подільський : Інформ.-видавн. відділ К-ПДУ, 2004. – Вип. 10. – C. 140-143.
3. Бурак В. І. Електромагнітні явища і електромагнітне поле : навч. посібн. для класів основної школи з поглибленим вивченням фізики / В. І. Бурак. – Кривий Ріг : Видавничий дім, 2008. – 164 с.
4. Бурак В . І. Засади генералізації змісту, структури і навчального матеріалу з електромагнетизму в основній школі / В. І. Бурак // Науковий часопис НПУ імені М. П. Драгоманова. Серія № 5. Педагог. науки: реалії та перспективи. – Вип. 12 : зб. наук. праць. – К. : Вид-во НПУ імені М. П. Драгоманова, 2008. – С. 54-59.
5. Бурак В. І. Зміст і методика вивчення явища електромагнітної індукції у восьмому класі / В. І. Бурак // Фізика та астрономія в школі. – 2003. – № 6. – С. 8-10.
6. Бурак В. І. Методика навчання електромагнетизму в основній школі в умовах диференціації навчання : автореф. дис. ... к. пед. н. : 13.00.02 – теорія та методика навчання (фізика) / В. І. Бурак; НПУ імені М. П. Драгоманова. – К., 2009. – 20 с.
7. Бурак В. І. Методика навчання розділу “Явище електромагнітної індукції і електромагнітне поле” в основній школі / В. І. Бурак, Ю. С. Мамедова // Зб. наук. праць : Вип. 6 : в 3-х томах. – Кривий Ріг : Видавн. відділ НМетАУ, 2006. – Т. 2 : Теорія та методика навчання фізики. – С. 169-174.
8. Бурак В. І. Методика розвитку початкових уявлень учнів про електромагнітну взаємодію і електромагнітне поле в основній школі / В. І. Бурак // Вісник Чернігівського державного педагогічного ун-ту імені Т. Г . Шевченка. Серія : педагогічні науки : зб. наук. пр. – Вип. 30. – Чернігів : ЧДПУ, 2005. – С. 40-45.
9. Програми для загальноосвітніх навчальних закладів. Фізика. Астрономія. 7-12 кл. – К. : Ірпінь : Перун, 2007. – 80 с.
10. Пьоришкін О. В. Фізика : підручник для 8 кл. серед. шк. – 12-те вид. / О. В. Пьоришкін, Н. О. Родіна. – К. : Рад. шк., 1992. – 192 с.

 
< Попередня   Наступна >

При використанні матеріалів сайту активне гіперпосилання на http://vuzlib.com обов'язкове!
Зворотний зв'язок
© 2010 www.VuzLib.com