Изучение нового материала традиционно начинается с объяснений и демонстраций учителя, в последствии ученики выполняют лабораторные работы не испытывая к ним интереса, так как действуют по уже предложенной учителем схеме, что безусловно понижает интерес к предмету. Решением изложенной проблемы могут стать лабораторные работы исследовательского характера. Суть такого вида лабораторных работ состоит в том, что ученик или группа учеников проводя исследование некоторого физического явления, самостоятельно пытается построить теорию, характеризующую данный процесс. Учитель в данном случае выполняет роль опытного наставника, который может натолкнуть на размышления, но не дать явного ответа.

Рассмотрим применение изложенного подхода на примере исследовательской лабораторной работы на тему «Падение тела сферической формы в вязкой среде» и обсудим основные этапы.

Для проведения эксперимента учащимся потребуется: длинный стеклянный сосуд длиной не менее 50 см, вязкая жидкость, весы, набор шаров различной массы и размеров, штангенциркуль, компьютер с веб-камерой.

Задание должно включать в себя название лабораторной работы, список оборудования и цель.

Никаких других инструкций по выполнению работы учащимся не предлагается, кроме как использовать в качестве регистрирующей и анализирующей части установки компьютер с установленным компьютерным лабораторным комплексом «Аргус». Причина использования данного комплекса кроется в: необходимости обеспечить высокую точность получаемых данных, знакомстве учащихся с одним из методов исследования физических явлений, установлении межпредметных связей физики и информатики и т.д..

Работа для учащихся будет состоять из двух основных этапов:

1. Проведение эксперимента и регистрация данных;
2. Качественный и количественный анализ данных и построение теории исследуемого явления.

Прогнозируемые результаты работы учащихся.
Первый этап.

Сама экспериментальная установка будет состоять из стеклянного сосуда наполненного жидкостью, лучше всего использовать либо воду, либо глицерин. Затем в данную вязкую среду будет бросаться шарик. Используя фотографический метод исследования, реализованный в рамках компьютерного лабораторного комплекса «Аргус», а в частности программы «Регистратор» фиксируются положения брошенного тела. Эксперимент необходимо провести для набора различных шаров.

Второй этап. Обрабатывая снимки, полученные в ходе выполнения первого этапа исследования может быть получен результат представленный на рис. 1

Рис. 1 Возможные результаты, полученные с помощью программы «Анализатор» из КЛК «Аргус»

Пользуясь возможностью экспорта данных в MS Excel можно в дальнейшем удалить точки, явно являющиеся побочными, затем получить новый график, пользуясь мастером диаграмм и в последствии провести аппроксимацию данных, построив линию тренда, выбирая при построении тип наиболее подходящий в данном конкретном случае.

Рис. 2 Результат обработки и аппроксимации данных

Так как предусматривается проведение эксперимента для различных шариков, то будут получены графики подобные представленному на рис. 2. Необходимо отметить, что это самый простой случай. Разберем более сложный случай представленный на рис. 3.

Рис. 3 Положения тела в зависимости от времени, полученные с помощью программы «Регистратор»

При визуальном анализе полученных данных можно выявить смешанную зависимость координаты тела от времени: до момента времени 0,25 сек. зависимость координаты от времени имела квадратичный вид, а после этого момента линейный. Соответственно, для дальнейшего анализа придется разделить данные и по отдельности проаппроксимировать их. Результаты описанных действий представлены на рис. 4 и 5

Рис. 4 Результат обработки и аппроксимации первой части данных для случая смешанной зависимости

Рис. 5 Результат обработки и аппроксимации второй части данных для случая смешанной зависимости

После описанной обработки данных получены все необходимые качественные и количественные результаты. В данный момент учитель должен подтолкнуть к мысли о необходимости сверить данные результаты с теорией. Согласно теории и имеющимся на данный момент у учащихся знаниям, тело должно двигаться под действием двух сил: силы тяжести и силы Архимеда. Обе силы являются постоянными для конкретного выбранного тела и действуют в противоположных направлениях, следовательно, результирующая сила должна быть тоже постоянной на всем протяжении движения тела, однако этого не наблюдается в случае смешанной зависимости координаты от времени. Однако для первого случая результаты теории пока согласуются с результатами эксперимента. Прибегнем к количественному сравнению: вычислим ускорение, которым должно обладать тело согласно теории – тут появиться противоречие.

Полученные противоречия должны подвести учащихся к мысли о том, что на тело действует ещё одна сила, её действие противоположно направлению движения тела, а её значение может быть не постоянно во времени как это видно из графиков полученных для второго случая, однако наступает момент когда её значение становится постоянным. В дальнейшем можно продолжить исследования и выяснить от чего зависит обнаруженная сила.

После проведения подобной лабораторной работы будет вполне уместно, если по результатам, полученным в ходе неё учитель разберёт совместно с учащимися весь материал, укажет на ошибки или уточнит некоторую полученную ими информацию.

Подводя итог можно сказать, что предложенный вид работы обеспечивает выполнение сразу нескольких задач: разбор нового материала, введение новых понятий (сила сопротивления), повторение материала (кинематика и динамика), знакомство и освоение одного из методов исследования физических явлений, организация межпредметной связи с информатикой, математикой (введение понятия аппроксимации данных), и т.д. – всё это демонстрирует возможность применения рассмотренного вида работ на уроках (в профильных классах), факультативных занятиях, кружках хотя бы изредка, ещё и потому что способствует повышению интереса учащихся к предмету.