Технологии олимпиадной физики

Технологии олимпиадной физики
М.А. Жужа
Ключевые слова: олимпиадные задачи по физике, приёмы составления задач,
приёмы решения задач.
Аннотация:
Рассматривается применение морфологического анализа и элементов ТРИЗ к
олимпиадным задачам по физике.
The present article considers application of morphological analysis and elements of
TRIZ to physics contests problems.
Проблемная ситуация
Олимпиады по физике являются одним из способов выявления одарённых школьников, интересующихся наукой и техникой. Важным этапом подготовки олимпиады является составление задач, которые должны быть и достаточно сложными, и "хитрыми", и нестандартными, и интересными и т.п.
Кроме того, каждый год нужно придумывать много новых задач, так как на
олимпиадах они "рассекречиваются". Хорошая олимпиадная задача – это
интеллектуальный продукт высокого уровня, поскольку не каждый преподаватель её придумает, и не каждый школьник-отличник её решит. Если преподаватель придумывает задачи методом проб и ошибок, то на это уходит
очень много времени и сил, кроме того, результат работы непредсказуем.
Поэтому необходима технология творческой поддержки для преподавателя при синтезе олимпиадных задач, повышающая эффективность работы и
облегчающая "творческие муки".
Обзор аналогичных технологий
Анализ публикаций по данной теме показал, что в настоящее время имеется большое количество учебных пособий по физике, в которых излагаются
многочисленные приёмы решения задач, но очень мало работ, посвящённых
приёмам создания новых задач. Так, например, в работе [1] описан синтез
задач по технологии "Фасетный тест". Это тест (по какой-то одной учебной
теме) представляет собой одно общее условие для всех задач и большой массив элементов-фасеток, из которых путём различных сочетаний конструируется задача добавлением к общему условию дополнительных условий ситуации,
времени,
пространства,
новых
признаков
или
параметров.
Специалистами ТРИЗ написаны две работы [2, 3]. В работе А. Гина [2] приведено 9 упражнений и 7 приёмов (с подприёмами – 27) синтеза задач путём
изменения условия исходной задачи-прототипа. В работе Г. Заровняева [3]
изложены 18 приёмов (алгоритмов) изменения отдельных элементов типовой
задачи. Эвристическими олимпиадами занимается Центр дистанционного
образования "Эйдос". На его сайте не было найдено конкретных творческих
приёмов, с помощью которых сотрудники Центра создают свои эвристические задачи. В свободном доступе на сайте [4] имеется лишь краткий обзор
21 метода эвристического обучения школьников, частично напоминающих
приёмы курса развития творческого воображения из ТРИЗ. Отдельные приёмы составления задач приходится также "добывать" путём просмотра многочисленной педагогической литературы. Так, например, в работе [5] найден
хороший приём "найти всё, что можно", позволяющий проверить физикотехнический кругозор школьника. Некоторые учителя дают школьникам
конструкторские и изобретательские задачи [5].
Результаты собственных исследований
Синтез теоретических задач
Кроме известных приёмов [2, 3, 5] автор данной статьи выявил и применяет в своей педагогической практике ещё два приёма. Рассмотрим их более
подробно.
Приём "задача с избытком (противоречивых) данных" – в нормальную
задачу вводится один дополнительный параметр с численным значением, не
соответствующим остальным. Это одна из разновидностей задач-ловушек.
Цель таких задач – сформировать у школьников критическое отношение к
условию самой задачи (в том числе и для нахождения опечаток) и уменьшить
психологическую инерцию, заключающуюся в привычке полностью доверять
условию задачи. Школьники, столкнувшись с противоречием при решении
задачи должны усомниться в правильности её текста и осмелится сделать
вывод о том, что условие составлено некорректно, а численные значения физических величин, связанных формулами, должны соответствовать друг другу. Этот приём близок к случаю с условиями некоторых изобретательских
задач, когда задачи составлены изначально неверно и в процессе работы с
ними приходится корректировать их условия.
Ещё один приём, который характерен и очевиден для олимпиадных задач – это "приём усиления сложности" (или "приём НЕ-"). Поясним его действие на примере. В обычной задаче имеются однородные и симметричные
тела, ровные поверхности, действуют постоянные или линейные силы. Для
составления олимпиадной задачи надо в тексте к соответствующим прилагательным добавить приставку НЕ-. Тогда в задаче олимпиадного уровня
сложности будут НЕоднородные и НЕсимметричные тела, НЕровные поверхности, НЕпостоянные и НЕлинейные силы.
Слабость отдельных приёмов в том, что они позволяют генерировать
ограниченное количество задач и причём однотипных. Кроме того, для
большинства приёмов необходима исходная задача-прототип, с которой и
начинаются все преобразования. А хотелось бы иметь неисчерпаемый источник задач, из которого можно было бы черпать разные задачи любого уровня
сложности. Причём желательно не привязываться к определённой задачепрототипу, а составлять задачу почти с нуля.
Было предпринято стандартное с точки зрения ТРИЗ исследование, а
именно, – анализ информационной базы творческих решений высокого уровня с целью поиска новых закономерностей и приёмов умственного труда.
Информационной базой являлись тексты теоретических и эксперименталь-
ных олимпиадных задач, в которых заключён творческий опыт многих педагогов.
В результате был создан конструктор теоретических задач по физике
[6]. Задача (модель задачи) конструируется из 2–6 структурных элементов,
взятых из шести морфологических таблиц. Затем применяется таблица
усложнения условия задачи (20 приёмов с 60 подприёмами), позволяющая из
одной придуманной (или известной) задачи получить серию задач различной
сложности. В таблице усложнения задач применён дополненный и расширенный список приёмов из работ [2, 3], а также известные тризовские приёмы (изменение агрегатного состояния, переход в другое измерение, динамичность, …). Для упрощения работы с конструктором, представляющим
собой семимерный морфологический ящик, была составлена компьютерная
программа [7] с базой данных [8], загруженной школьным курсом физики.
Конструктор позволяет составить около 400 млрд вариантов условий задач,
что является практически "бесконечным источником физического вдохновения". Хотя, как известно, большое число вариантов является те только плюсом, но и минусом морфологического анализа.
Синтез и решение экспериментальных задач
Физика – наука экспериментальная. Поэтому были проанализированы
также 468 экспериментальных олимпиадных задач. Установлено, что часть
задач решается (и составляется) обычными методами. Но существуют также
интересные и часто повторяющиеся алгоритмы решений, которые можно
сгруппировать в 10 типовых приёмов: 1) замена прямых измерений косвенными; 2) объединения-деления (метод рядов); 3) введение условных единиц
измерения; 4) наоборот; 5) изменение величины силы; 6) подобные треугольники; 7) сила Архимеда; 8) изменение геометрической формы объекта;
9) градуировочный график; 10) площадь под кривой. Эти приёмы более детально описаны в работе [9] и имеют двойное назначение – в помощь препо-
давателю, составляющему задачи и в помощь школьникам, пытающимся эти
задачи решить.
Для преподавателя можно предложить ещё два приёма составления экспериментальных заданий.
Ранее рассмотренным приёмом "найти всё, что можно" составляются и
экспериментальные задачи, когда школьникам выдаётся очень простое оборудование – кусок провода, пустую пластиковую бутылку и т.п.
Приём "превращения теоретической задачи в экспериментальную" основан на том, что во многих теоретических задачах описывается какое-то
техническое устройство или установка, которые можно в виде оборудования
предоставить школьнику.
Для синтеза экспериментальных задач был также составлен конструктор [10] в виде морфологической таблицы с двумя осями: 1) физические величины, которые обычно определяются в экспериментальных заданиях;
2) измерительные приборы и инструменты, которые обычно выдаются
школьникам.
Проводились исследования по изучению возможности применения некоторых основных элементов ТРИЗ для составления новых олимпиадных
экспериментальных задач. Установлено, что для составления (и решения)
задач можно применять вещественно-полевые ресурсы [6]; установка для
измерения поверхностного натяжения легко сворачивается в рабочий орган –
отрезок тонкой прямой проволоки [11], а измерять влажность воздуха можно
приёмом "наоборот", когда из холодильника достаётся охлаждённый ниже
точки росы стеклянный термометр [11]. Используя идеальную лабораторную
установку [6] (ту, которой нет, но все необходимые измерения выполняются)
можно проводить опыты "голыми руками", если учесть, что руки и исследуемый объект могут взаимодействовать тепловым, электрическим и механическим образом.
Указатели олимпиадных заданий, приборов и оборудования
В помощь школьникам составлен некоторый информационный фонд по
экспериментальным задачам, а именно: 1) таблица типовых экспериментальных заданий; 2) таблица типичных измерительных приборов; 3) таблица типичного оборудования. Задания, приборы и оборудование в таблицах расположены в порядке убывания частоты повторений в экспериментальных
задачах. Так, например, школьникам чаще всего предлагают исследовать
электрический "чёрный ящик", определить плотность, сопротивление, массу,
коэффициент трения, показатель преломления, линейные размеры (объём). В
большинстве экспериментальных заданий из измерительных приборов выдаются только линейка или миллиметровая бумага. А из оборудования
наиболее часто выдаётся батарейка с проводами, сосуд с водой, штатив и
нитки с грузами. Составлен также и список очень редко встречающихся
олимпиадных заданий. Весь этот информационный фонд позволяет школьникам на 90 % прогнозировать появление новых задач на будущих олимпиадах.
Учебно-методическое пособие
Обобщая и дополняя исследовательский материал за 5 лет по теме
"ТРИЗ + олимпиадная физика", автор издал в своём вузе учебнометодическое пособие [12], в котором имеются также 20 оригинальных задач
с подробными решениями и 34 примера задач олимпиадного уровня. Пособие
имеет двойное назначение. С одной стороны оно адресуется преподавателям
вузов и школьным учителям, желающим эффективно создавать олимпиадные
задачи. С другой стороны это пособие может быть самоучителем для одарённых школьников, с помощью которого учащиеся могут сами составлять
олимпиадные задачи и сами их решать (получив идеальный конечный результат – превратив процесс обучения в самообучение). На конкурсе
РА ТРИЗ "ТРИЗ-УРОК-2008" пособие получило поощрительный диплом,
поэтому автор надеется, что это пособие можно рассматривать как ответ на
призыв А. Гина о создании учебных пособий по ТРИЗ и её применению в
разных областях.
Выводы
1.
Выявлены
и
разработаны:
а) 15 приёмов
создания
задач;
б) 2 конструктора задач; в) 4 указателя олимпиадных заданий, приборов и
оборудования. Показана возможность синтеза олимпиадных задач по физике
при помощи некоторых инструментов ТРИЗ. Издано учебно-методическое
пособие.
2. Новизна данной работы состоит в том, что была предпринята попытка
синтезировать задачи олимпиадного уровня – самого высокого из школьной
физики. А именно при высоких уровнях сложности ТРИЗ может помочь и
преподавателям и школьникам.
3. Результаты исследований внедрены в учебный процесс. Известно, что
ТРИЗ создавалась и развивается для того, чтобы инновационные технологии
были в первую очередь в "головах", а не только в технических устройствах.
Поэтому выявленные и разработанные творческие инструменты автор применяет сам для составления задач и обучает школьников приёмам решения
задач в Центре дополнительного образования. Приёмы олимпиадной физики
и элементы ТРИЗ являются "творческим вооружением" команды школьников
Краснодарского края, помогающим им успешнее выступать на олимпиадах.
Список литературы
1. Архипова А.И. Фасетные тесты по физике с программным приложением //
Школьные годы. 2002. № 12.
2. Гин А.А. Синтез физических задач // Лаборатория Образовательных Технологий.
URL: http://www.trizway.com/art/article/61.html [20 апреля 2009].
3. Заровняев Г. Обучение школьников приемам синтеза физических задач // Лаборатория Образовательных Технологий. URL:
http://www.trizway.com/art/practica/83.html [20 апреля 2009].
4. Хуторской А.В. Как обучать творчеству? // Интернет-журнал "Эйдос". 2001.
5 января. URL: http://www.eidos.ru/journal/2001/0105.htm [20 апреля 2009].
5. Урок физики в современной школе: Творческий поиск учителей: Книга для учителя / Сост. Э.М. Браверман; Под ред. В.Г. Разумовского. М.: Просвещение,
1993. 288 с.
6. Жужа М.А, Жужа М.М. Задачи по физике и ТРИЗ / Труды междунар. конф. "Три
поколения ТРИЗ" и саммита разработчиков ТРИЗ. СПБ. 2006. С. 160 – 165.
7. Жужа М.А., Жужа Е.Н., Жужа М.М. Свидетельство об официальной регистрации
программы для ЭВМ № 2007613605. Конструктор задач по физике: (RU). Заявка
№ 2007612680 поступила 29.06.07; зарегистрирована 24.08.07.
8. Жужа М.А., Жужа М.М. Свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2007620290. Конструктор задач по физике – СОШ: (RU). Заявка
№ 2007620198 поступила 29.06.07; зарегистрирована 24.08.07.
9. Жужа М.А. Типовые приемы экспериментального мастерства по физике / XI
Междунар. науч.-практ. конф. "Развитие творческих способностей в процессе
обучения и воспитания на основе ТРИЗ", 23–25 июня 2008 г. Челябинск, 2008.
С. 155 – 157.
10. Жужа М.А. Конструктор для создания экспериментальных задач // Физика в
школе, 2008. № 5. С. 50 – 51.
11. Жужа М.А., Жужа Е.Н., Чёрная Н.Г. Экспериментальные задачи по физике //
Квант, 2007. № 6. С. 28 – 29.
12. Жужа М.А. Творческие приёмы олимпиадной физики: учеб.-метод. пособие.
Краснодар: Кубан. гос. ун-т, 2007. 72 с.: ил.