§ 1. Лабораторный эксперимент в системе профессионально-методической подготовки учителя физики
   
   Проблема лабораторного физического эксперимента в преподавании курса элементарной физики, в силу своей значимости, занимает особое место.
   В её разработку внесли существенный вклад очень многие ученые-методисты и практики. Фундаментальные труды в этой области принадлежат П.А. Знаменскому [99], В.П. Фетисову [375]. Учителям и методистам- физикам хорошо известны работы коллективов, возглавляемых А.А. Покровским [267], В.А. Буровым и Ю.И. Диком [49, 268].
   Существенное место вопросам методики и техники лабораторного эксперимента отводится в работах В.Г. Разумовского, посвященных проблемам формирования творческих способностей учащихся [286, 287].
   В учебниках по методике преподавания физики А.И. Бугаева [48], под редакцией А.А. Пинского и П.И. Самойленко [203], В.П. Орехова и А.В. Усовой [201], А.В. Усовой [200] и других, лабораторному эксперименту посвящены отдельные главы или крупные параграфы.
   Особое место этому вопросу отводится и в практикумах для студентов педвузов по школьному физическому эксперименту, подготовленных Л.И. Анциферовым и И.М. Пищиковым[15] и А.А. Марголисом, Н.Е. Парфентьевой, Л.А. Ивановой [192]. Оригинальные лабораторные работы с методикой их проведения описаны в трудах М.И. Линника [181].
   Очень интересной представляется система кратковременных лабораторных работ, постановка которых в корне меняет подход к преподаванию физики в средней школе. Кратковременные лабораторные работы тесно примыкают к экспериментальным задачам, разработанным И.Г. Антипиным [13], В.А. Зибером [97], С.С. Мошковым [216].
   Проблеме учебного физического эксперимента, в том числе и лабораторного, посвящены диссертационные исследования В.Я. Синенко [310], Т.Н. Шамало [412], М.Г. Ковтунович [134], Г.Н. Костина [144], Д.Ф. Рудыка [299].
   Поистине колоссальный объем информации по различным аспектам лабораторного эксперимента содержится в журналах "Физика в школе" и специализированных сборниках, освещающих вопросы учебного физического эксперимента [379-382]. Большой вклад в теорию и практику физического эксперимента внесли новые серии сборников научных трудов "Проблемы учебного физического эксперимента", представляемых Российским государственным педагогическим университетом совместно с Глазовским государственным педагогическим институтом (отв. ред. В.В. Майер) и издаваемый с 1997 г. Глазовским государственным педагогическим институтом журнал "Учебная физика" (гл. ред. В.В. Майер).
   Привлекательны подходы, содержание, способы организации лабораторного эксперимента в зарубежных курсах физики. Здесь, в первую очередь, хотелось бы назвать, как наиболее доступные, переводные курсы физики для школ США [376] и Великобритании [295].
   Небезинтересен для методистов, занимающихся разработкой лабораторного эксперимента по элементарному курсу физики, и отнюдь не элементарный Берклеевский курс лекций по физике [129,147].
   В силу разработанности проблемы, сейчас уже вряд ли кому-либо стоит доказывать, что преподавание физики в средней школе немыслимо без учебного эксперимента. Это одна из аксиом методики преподавания физики. В подтверждение можно было бы привести многочисленные данные, показывающие, что отрыв преподавания физики от экспериментальной основы приводит не только к серьезным пробелам в знаниях учащихся, но и к искажению их миропонимания, формированию примитивного, ненаучного мировоззрения.
   Вместе с тем, проблемы целеполагания, отбора и конструирования содержания, техники и методики проведения лабораторного эксперимента, соотнесения его с различными вариантами учебных планов и программ, требуют дальнейшего осмысления. Здесь еще достаточно белых пятен, различного рода неверных трактовок и недоразумений.
   Много нерешенных вопросов остается и в области профессиональной подготовки учителя физики в области школьного лабораторного эксперимента. Об этом, в частности, свидетельствуют и полученные нами данные.
   В доэкспериментальный период мы провели изучение уровня подготовки студентов педагогического университета к конструированию системы школьного лабораторного эксперимента. При этом мы основывались на следующих соображениях.
   Среди знаний, навыков и умений организации учебно - воспитательного процесса профессиограмма учителя физики средней школы предусматривает "навыки и умения постановки и проведения фронтальных лабораторных работ и лабораторных опытов; умение организовать и провести практикум по физике" [104, с.30].
   В деятельности учителя обозначенные знания, навыки и умения реализуются через исполнение им конструктивной функции. При этом конструктивно-содержательная деятельность учителя предусматривает планирование, определение содержания, оснащение урока экспериментом. Его конструктивно-оперативная деятельность состоит в планировании структуры действий учителя и ученика на уроке, а конструктивно-материальная деятельность - в проектировании материальной базы для обучения физике [там же, с.20-21].
   Профессиограмма рекомендует во всех лабораториях по основному курсу физики предусматривать элементы работ школьного типа, при их приеме ставить вопросы по школьному лабораторному эксперименту, а в лабораторные занятия по методике и технике физического эксперимента включать работы, обеспечивающие формирование умений провести фронтальную работу и практикум [там же].
   В течение многих лет в Барнаульском педагогическом институте в лабораторных практикумах по курсам общей физики, электротехники, радиотехники выставлялись работы, в той или иной мере связанные со школьными лабораторными работами. В цикле методических дисциплин проводился спецпрактикум по школьному лабораторному эксперименту, в ходе которого студенты выполняли наиболее сложные лабораторные работы по всем разделам школьного курса физики. При сдаче работ преподавателю, они представляли по ним образцовые отчеты, освещали сущность физических процессов, лежащих в основе работ, отвечали на контрольные вопросы предметного характера и обсуждали вопросы методики проведения этих работ в школе.
   Таким образом предполагалось, что студенты за время обучения в вузе, при изучении разных учебных дисциплин получают подготовку, достаточную для того, чтобы в дальнейшем самостоятельно конструировать и реализовывать на практике систему школьного лабораторного эксперимента.
   С целью выявления уровня подготовки выпускников педвуза к реализации конструктивной функции в области школьного лабораторного эксперимента, нами в 1993/94 уч.г., в качестве зачетной по спецпрактикуму "Методика и техника школьного лабораторного эксперимента", незадолго до государственных экзаменов, была проведена контрольная работа. Работу выполняло 43 студента. Работа выполнялась в течение двух академических часов. О характере вопросов контрольной работы студенты заранее предупреждены не были.
   В работу были включены задания, выполнение которых требовало знания тех приборов, которые студенты могли неоднократно видеть в разных физических лабораториях и должны были использовать при выполнении работ спецпрактикума; умения читать надписи на шкалах приборов и переводить единицы измеряемых физических величин из одних систем в другие, рассчитывать погрешности измерений и учитывать их при формулировке выводов к лабораторным экспериментам, планировать эксперимент и правильно интерпретировать его результаты.
   В первом задании студентам показывался технический манометр, подсоединенный к шару для взвешивания воздуха. На шкале прибора было обозначено, что единицей измеряемого им давления является [p]=1кГс/см2.
   Манометр студенты должны были использовать в лабораториях молекулярной физики, демонстрационного и лабораторного физического эксперимента. На спецпрактикуме манометр входил в комплект оборудования для выполнения работы по определению универсальной газовой постоянной. На классной доске крупно изображалась шкала прибора с положением стрелки около деления, обозначенного цифрой "1". Задавался вопрос: "Чему равно давление воздуха в сосуде (в Па)?". Ответ требовалось дать в виде: p=p изм p.
   Ответы распределились следующим образом:
   Учли ошибку, даваемую прибором и дали ответ в требуемом виде 4 чел. (9,3%).
   Ни один человек не учел того, что при открытых кранах, когда манометрическая трубка сообщается с атмосферой, стрелка прибора указывает на деление "0". Таким образом, принципиально верного ответа не дал никто.
   При переводе давления в паскали, 18 человек (41,9%) верно указали значение множителя - 105.
   Еще 5 человек (11,6%) перевод сделали неверно, но, по крайней мере, показатель степени в множителе у них был положительным.
   7 же человек (16,2%) записали результат с отрицательным показателем степени у множителя 10.
   13 человек (30,2%) на вопрос не ответили.
   Правильно расшифровать единицу давления [p]=1кГс/см2 смогли 21 человек (48,8%).
   Второе задание было аналогично первому, но вместо манометра студентам был показан микроамперметр, с которым они также работали в лабораториях электричества, электротехники, спецпрактикума кафедры методики преподавания физики.
   Дополнительно к предыдущим требованиям, необходимо было расшифровать на шкале прибора условные знаки испытательного напряжения изоляции, класса точности прибора, опознать в одной из надписей значение его внутреннего сопротивления и определить цену деления шкалы.
   Верно записали показания прибора с учетом ошибки измерения 13 человек (30,2%).
   19 человек (44,2%) посчитали, что им дан не микроамперметр, а миллиамперметр.
   Опознали знак испытательного напряжения изоляции 25 человек (58,1%).
   21 человек (48,8%) верно определил цену деления прибора.
   22 человека (51,1%) верно опознали знак класса точности прибора.
   11 человек (25,6%) правильно соотнесли одну из записей на шкале с внутренним сопротивлением прибора.
   В третьем задании студентам был показан шар для взвешивания воздуха. Требовалось перевести его объем, равный 1,22 л, в кубические - а) дециметры, б) метры, в) сантиметры.
   Верно выполнили задание а) - 30 человек (69,8%); б) - 27 человек (62,8%); в) - 21 человек (48,8%).
   Четвертое задание было основано на том, что рекомендуемый для ряда работ школьного физического практикума электроизмерительный прибор "М45" имеет клеммы, около которых обозначено, что предельное значение измеряемого прибором напряжения равно 3В, тогда как на шкале имеется надпись - 3 мА. Сама же шкала разбита на 75 делений. В задании требовалось объяснить, как снимать показания со шкалы прибора?
   Данное задание правильно выполнили 24 человека (55,8%).
   Следующая группа вопросов была связана с выяснением того, насколько соотносятся техническая и сущностная стороны выполняемых студентами лабораторных работ. В качестве основы была взята работа по изготовлению действующей модели простейшего радиоприемника, которую ранее должны были выполнять все опрошенные студенты.
   Студентам были показаны два элемента радиоприемника из соответствующего радиоконструктора - конденсатор переменной емкости и катушки индуктивности для ДВ и СВ диапазонов, намотанные на одном каркасе.
   Необходимо было произвести оценки ряда величин.
   Правильно оценили длину волны и (или) частоту средневолнового диапазона 6 человек (13,9%). 5 человек (11,6%) при оценке сделали ошибку. 33 человека (76,7%) на вопрос не ответили.
   Правильно оценили порядок величины электроемкости конденсатора 2 человека (4,6%). Остальные студенты (41 человек, 95,3%) на вопрос не ответили.
   Правильно определили, какая из двух катушек, используемых в простейшем радиоприемнике, рассчитана на СВ - диапазон - 7 человек (16,3%). 2 человека (4,6%) в выборе ошиблись. 34 человека (79,1%) на вопрос не ответили.
   В последнем задании студентам предъявлялась собранная лабораторная установка, представляющая из себя пружину с плотно сжатыми витками (из набора по статике), подвешенную к лапке штатива, в которой вертикально была закреплена линейка с миллиметровыми делениями. В комплект оборудования входил набор грузов.
   К пружине последовательно подвешивались грузы из набора. Измерялась величина деформации пружины. Было получено 7 точек. Результаты отображались в табличной форме.
   Студентам предлагалось сформулировать цель лабораторной работы, в ходе выполнения которой могли бы быть получены такие результаты. Сами результаты предлагалось представить в графической и словесной формах, учтя при этом точность выполненных измерений.
   Цель работы, соответствующую ее ходу и результатам сформулировали 8 человек (18,6%).
   Верно представили результаты в графической форме 9 человек (20,9%).
   Сделали правильные выводы и сумели их сформулировать в словесной форме 7 человек (16,3%).
   В 1994/95 уч. г. контрольная работа была повторена на следующем курсе. Работу выполняло 48 человек.
   Отличие от работы предыдущего года состояло в том, что студенты перед началом спецпрактикума по методике и технике школьного лабораторного эксперимента были предупреждены, что в качестве зачетной им предстоит выполнить контрольную работу. В содержание работы будут включены вопросы и задания на проверку знания основных характеристик и назначения приборов, выставленных в лаборатории для проведения экспериментальных работ. Будут проверяться умения производить с помощью использовавшихся в практикуме приборов измерения и отображать результаты измерений и вычислений, с учетом их точности, в табличной, аналитической, графической и словесной формах. Проверке будут подлежать умения планировать эксперимент и интерпретировать его результаты. Непосредственно перед проведением работы было дано задание подготовиться к ней.
   Ниже приведены некоторые результаты данной работы.
   Правильно определили давление газа в сосуде, измеренное с помощью технического манометра 4 человека (8,3%).
   Правильно определили погрешность измерения, даваемую манометром 9 человек (18,8%).
   Полностью правильно сделали перевод объема шара для взвешивания воздуха в кубические метры, дециметры, сантиметры 43 человека (89,5%).
   Верно сняли показания со шкалы микроамперметра с учетом ошибки измерения 29 человек (60%).
   Смогли привести значения частот и длин волн СВ-диапазона радиоволн 3 человека (6,3%).
   По описанию и результатам лабораторной работы сформулировали соответствующие друг другу цель и выводы 10 человек (20,8%).
   Верно отобразили результаты эксперимента в графической форме 27 человек (56,3%).
   Верно отобразили результаты эксперимента в словесной форме 5 человек (10,4%).
   Как видно, что хотя результаты второй контрольной работы в целом несколько лучше результатов первой работы, их никак нельзя признать удовлетворительными. Даже будучи предупрежденными заранее и ориентированными на вполне определенный тип вопросов контрольной работы, подавляющее большинство выпускников педагогического института показывает низкий уровень предметной и методической подготовки в области школьного лабораторного эксперимента.
   Полученные данные заставили нас изменить содержание и форму подготовки студентов в области методики и техники школьного лабораторного эксперимента.
   С 1996/97 учебного года в рамках курса "ПТОФ" нами было поставлено два спецпрактикума, нацеленных на подготовку студентов к конструированию системы школьного лабораторного эксперимента. Первый практикум (7 семестр) предполагал знакомство студентов с теоретическими основами и образцами конструирования лабораторного эксперимента. Выполнялся он на базе элементарного курса механики. Второй практикум (9 семестр) носил творческий характер и посвящался самостоятельному конструированию систем лабораторного эксперимента по молекулярной физике, электродинамике, оптике на основе опыта, приобретенного в 7 семестре.
   Ниже приводятся основные идеи и содержание работы, отображенные в первом практикуме.