Методическая разработка "Формирование естественнонаучной грамотности у обучающихся основной школы на уроках физики"

Формирование естественнонаучной грамотности у обучающихся основной школы на уроках физики

Данная методическая разработка «Формирование естественнонаучной грамотности у обучающихся основной школы на уроках физики» направлена на формирование способности обучающихся использовать естественнонаучные знания, умения и навыки в реальных жизненных ситуациях.

Сформировать функционально грамотную личность кроме читательской и математической грамотности, помогает и естественнонаучная грамотность.

Естественнонаучная грамотность – это способность человека занимать активную гражданскую позицию по вопросам, связанным с естественными науками, и его готовность интересоваться естественнонаучными идеями. Это способность использовать естественнонаучные знания, выявлять проблемы, делать выводы, необходимые для понимания окружающего мира. Естественнонаучно грамотный человек стремится участвовать в обсуждении проблем, относящихся к естественным наукам и технологиям, что требует от него следующих компетенций:

1. Компетенция: научное объяснение явлений включает способности:

- Применить соответствующие естественнонаучные знания; - Распознавать, использовать и создавать объяснительные модели и представления; - Сделать и подтвердить соответствующие прогнозы; - Предложить гипотезы; - Объяснить потенциальные применения естественнонаучного знания для общества.
2. Компетенция: понимание особенностей естественнонаучного исследования  включает способности:

- Распознавать и формулировать цель исследования;

- Различать вопросы, которые возможно естественнонаучно исследовать;

- Предложить способ научного исследования данного вопроса;

3. Компетенция: интерпретация данных и использование научных доказательств для получения выводов включает способности:

- Анализировать, интерпретировать данные и делать соответствующие выводы;

- Преобразовать одну форму представления данных в другую;

- Распознавать доказательства и рассуждения в научных текстах.

Формирование естественнонаучных представлений нужно начинать с начальной школы. Здесь особую роль имеет предметная область «Окружающий мир», где формируется целостная картина мира и представления о месте человека в этом мире. Также на уроках окружающего мира у ребёнка реализовывается возможность интегрировать, обобщать и осмысливать фрагменты естественно-научных знаний, которые он получает из других, «внешкольных» источников. В качестве средств формирования естественно-научной грамотности младших школьников выступают задания, содержание которых позволяет ученику объяснить какое-либо явление, проанализировать наблюдения, известные факты, объединить их с помощью умозаключений, сделать вывод, ответив на вопрос «почему?»;  провести эксперимент, ответив на вопрос «как?»;  проанализировать данные и, используя рассуждения, сделать обоснованный вывод.

В основной школе естественнонаучная грамотность формируется на уроках химии, биологии, географии и физики.

Учащиеся, достигшие высокого уровня естественнонаучной грамотности, могут определять, объяснять и применять естественнонаучные знания в различных жизненных ситуациях.

Проблема формирования естественнонаучной грамотности является актуальной в свете повышения качества образования в школе. В связи с этим предлагаются разработки заданий, направленных на формирование естественнонаучных навыков учащихся. Требования к заданиям по  оцениванию естественнонаучной грамотности направлены на проверку перечисленных  выше компетенций и при этом должны основываться на реальных жизненных ситуациях. Именно такие задания, объединенные в тематические блоки, составляют измерительный инструментарий PISA. Естественнонаучная грамотность это интегрированный продукт и в одном блоке надо применить знания разных предметов. Типичный блок заданий включает в себя описание реальной ситуации, представленное, как правило, в  проблемном ключе, и ряд вопросов-заданий, связанных с этой ситуацией. Объем варианта очень большой. Работа состоит из четырех блоков в 7 классах и из пяти блоков в 8-9 классах. В каждом блоке по 4-6 заданий. Задания объединены единым контекстом.

При этом каждое из заданий классифицируется по следующим категориям:

·                   компетенция, на оценивание которой направлено задание;

·                   тип естественнонаучного знания, затрагиваемый в задании;

·                   контекст;

·                   познавательный уровень задания.  

Модель заданий по ЕНГ
Компетенция  Каждая из трех компетенций включает в себя набор конкретных умений, на проверку которых может быть непосредственно направлен вопрос задания.	Понимание основных особенностей естественнонаучного исследования, включая распознавание и формулирование цели данного исследования, выдвижение гипотез  и предложение способов их проверки, оценка способов научного исследования данного вопроса, преобразование одной формы представления данных в другую.
Тип знания	Учащиеся могут демонстрировать эти компетенции на материале научного знания следующих типов: Знание содержания, относящегося к физическим системам в неживой природе (это материал физики и химии), живым системам (биология), наукам о Земле и Вселенной (география, астрономия) Знание процедуры, знание разнообразных методов, используемых для получения научного знания, а также стандартных исследовательских процедур.
Контекст	тематическая область, к которой относится описанная в задании проблемная ситуация может быть: •личностный •национальный •глобальный Основные группы этих ситуаций: •здоровье •природные ресурсы •окружающая среда •опасности и риски •связь науки и технологий От учащихся требуется продемонстрировать компетенции в определенном контексте
Уровень   задания	Трудность вопроса •Низкий •Средний •Высокий

Задания для формирования естественнонаучной грамотности учащихся

Комплексное задание «Батарейки»  (с краткой характеристикой заданий)

Необходимо прочитать текст и выполнить 6 заданий в этом блоке.

Марк собрал электрическую цепь, чтобы проверить, как работает электромоторчик, который он хотел поставить в радиоуправляемый автомобиль. Электрический ток в цепи создаёт батарейка. Ток возникает благодаря тому, что от отрицательного (–) полюса батарейки к положительному (+) полюсу по металлическому проводу перемещаются частицы с отрицательным электрическим зарядом (электроны).

Задание № 1. Почему отрицательно заряженные частицы (электроны) движутся по проводу от отрицательного полюса батареи к положительному полюсу батареи?

Задание № 1 относится к компетенции «научное объяснение явлений». При  объяснении учащиеся могут использовать как простые соображения (притяжение разноименных зарядов), так и более сложные (движение заряженных частиц под действием электрического поля). Знание научного содержания, относящегося к физическим системам в неживой природе. Контекст личный.

Задание № 2. В каком направлении должны двигаться положительно заряженные частицы внутри батарейки в то время, когда батарейка создаёт электрический ток во внешней цепи?

Отметьте один верный вариант ответа.

А) От положительного полюса к отрицательному.

В) От отрицательного полюса к положительному.

С) Из центра батарейки к её стенкам.

D) От стенок батарейки к её центру.

 Задание № 2 отнесено к компетенции «интерпретация данных и использование научных доказательств для получения выводов». Т.к. учащимся не предлагается объяснять причины направления движения заряженных частиц внутри самой батарейки. Им просто надо выбрать направление (задание с выбором одного ответа), исходя из той логики, что электрическая цепь должна быть замкнутой.

Задание № 3. Катя предложила Марку собрать цепь с двумя одинаковыми батарейками, чтобы получить более сильный электрический ток. Но вначале она решила проверить, будет ли в такой цепи ярче гореть лампочка. Собранная Катей цепь показана на рисунке. Она замкнула цепь переключателем.

Загорелась ли лампочка в цепи, которую собрала Катя?

Задание № 3 относится к компетенции «научное объяснение явлений» и предполагает применение элементарного знания о том, что последовательное соединение батареек в цепи требует присоединения их друг к другу противоположными полюсами.

Батарейки бывают разные. Одни способны работать долго, создавая нужное электрическое напряжение в цепи, другие «садятся» быстрее. Ребята решили выбрать самую хорошую батарейку для своего автомобиля. В Интернете они нашли описание исследования, в котором сравнивались батарейки четырёх разных марок. На графике, взятом из этого исследования, показано, как менялось со временем электрическое напряжение, создаваемое каждой батарейкой, когда ток в цепи поддерживался постоянным (500 мА). Четырём разным маркам батареек соответствуют графики четырёх разных цветов.

Задание № 4. Какая из батареек может дольше других поддерживать нужный ток в цепи?

Отметьте один верный вариант ответа.

А) Красная

В) Жёлтая

С) Синяя

D) Зелёная

Задание № 5. У какой из батареек создаваемое ею напряжение оказалось самым нестабильным?

Отметьте один верный вариант ответа.

А) Красная

В) Жёлтая

С) Синяя

D) Зелёная

Задания № 4 и № 5 (оба с выбором одного ответа) относятся к компетенции «интерпретация данных и использование научных доказательств для получения выводов». Эти задания предполагают анализ и интерпретацию графических данных.

Выбирая батарейку для своего автомобиля, ребята хотели учесть и то, что автомобиль должен работать в том числе и морозной зимой. Поэтому они решили провести следующее исследование. Они взяли две одинаковых батарейки и собрали две электрических цепи с одинаковыми лампочками. Одну цепь они оставили целиком при комнатной температуре (на рис. слева). Батарейку второй цепи поместили в морозильную камеру при температуре –15 ºC, откуда вывели провода к лампочке, находящейся при комнатной температуре (на рис. справа).

Задание № 6. В чём состоит цель исследования, которое проводили ребята?

Задание № 6 относится к компетенции «применение естественнонаучных методов исследования». В этом задании учащимся предлагается распознать цель описанного и проиллюстрированного рисунком исследования.

Комплексное задание «Исследование морских глубин с помощью батискафов»

Необходимо прочитать текст и выполнить 5 заданий в этом блоке.

Первый батискаф был создан швейцарским учёным Огюстом Пикаром в 1948 г. Батискаф – это самоуправляемый аппарат, состоящий из прочного шара (гондолы) для размещения экипажа и аппаратуры, баллона (поплавка), наполненного бензином, и бункера с балластом (см. рисунок). В качестве балласта используется стальная дробь.

Начало формы

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Поплавок играет такую же роль, как и спасательный круг для тонущего человека или баллон с гелием у дирижабля (аэростата). В отсеках поплавка находится вещество, плотность которого меньше плотности воды. На батискафах середины XX в. использовался бензин, имеющий плотность около 700 кг/м³. Бензин отделён от воды эластичной перегородкой, позволяющей бензину сжиматься. По наблюдениям, проведённым при погружении батискафа «Триест» в 1960 г. на дно Марианской впадины, на глубине 10 км объём бензина в поплавке уменьшился на 30%.

На поверхности батискаф удерживается за счёт отсеков, заполненных бензином, а также благодаря тому, что цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполнены воздухом. После того как цистерны водяного балласта, шахта для посадки экипажа в гондолу и свободное пространство в бункерах с дробью заполняются водой, начинается погружение. Эти объёмы сохраняют постоянное сообщение с забортным пространством для выравнивания гидростатического давления во избежание деформации корпуса. Если батискаф попадает в плотные слои воды и «зависает», выпускается часть бензина из компенсирующего отсека, и погружение возобновляется. После проведения научных экспериментов экипаж сбрасывает балласт (стальную дробь), начинается подъём. Исследования морских глубин показали, что на дне океана обитают миллионы видов живых существ, хотя уже на глубине 180 м царствует мрак.

Задание № 1.

Глубина Марианской впадины составляет более 10 км. Какое утверждение о гидростатическом давлении на дне впадины верно?

А. Превышает 100 МПа

В. Составляет около 100 кПа

С. Менее 10 МПа

Д. Превышает 1 ГПа

Ответ: А

Задание № 2

Выберите все верные утверждения об устройстве и принципе действия батискафа.

А. С помощью поплавка регулируется погружение батискафа на дно.

В. При поднятии батискафа из бункеров сбрасывается балласт.

С. По мере погружения батискафа плотность бензина в отсеках поплавка уменьшается.

Д. До начала погружения цистерны водяного балласта полностью заполнены водой.

Е. Вещество, заполняющее поплавок, имеет плотность, меньшую плотности морской воды

Ответ: А, В, Е

Задание № 3

До второй половины ХХ в. все наши знания об обитателях глубин ограничивались редкими экземплярами глубоководных животных, но и они попадали в руки исследователей, сильно искалеченными. С чем это было связано?

Ответ: из-за огромного перепада гидростатического давления ткани животных при подъёме сильно деформировались

Задание № 4

Открытые учёными обитатели морских глубин относятся преимущественно к хищникам. С чем это связано?

Ответ: отсутствие солнечного света на глубине делает фотосинтез невозможным. Из-за отсутствия солнечного света на глубине отсутствуют даже водоросли

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Начало формы

Задание № 5

Ниже приведены отрывки из статей о морских глубоководных животных. В каком (-их) отрывке(-ах) речь идёт о приспособленности рыб к жизни без света?

Источники информации	Отрывки
А	Несмотря на огромное давление, в морских глубинах обитают различные животные: иглокожие, ракообразные, моллюски, черви, глубоководные рыбы
В	Глубоководные рыбы или слепы, или, наоборот имеют огромные телескопические глаза, улавливающие слабый свет, испускаемый другими глубоководными животными
С	Более 50 % глубоководных рыб, наряду с некоторыми видами креветок и кальмаров, обладают биолюминесценцией. Около 80 % из этих организмов имеют специальные клетки (фотофоры), которые содержат бактерии, вырабатывающие свет. Некоторые фотофоры могут регулировать интенсивность свечения
Д	Все глубоководные рыбы имеют особое строение тканей и отличаются слабым развитием скелета и мускулатуры. Благодаря проницаемости тканей давление внутри тела рыбы устанавливается столь же высокое, как и в наружной среде

Ответ: В, С

Комплексное задание «Теплоэлектростанции»

Среди электростанций наибольшее распространение получили тепловые электростанции (ТЭС), которые вырабатывают более 70% всей мировой электроэнергии.

Различают ТЭС и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Первые вырабатывают только электрический ток, а вторые не только генерируют электричество, но и дают тепло в системы отопления и горячего водоснабжения.

Работа всех ТЭС осуществляется по общей схеме. В котел постоянно подаётся топливо, вместе с топливом поступает воздух в качестве окислителя. В процессе горения топлива выделяется теплота, нагревающая воду в паровом котле. Образуется водяной пар. Струя пара под высоким давлением и с высокой температурой попадает на лопасти паровой турбины, они вращаются и приводят во вращение ротор генератора. В процессе вращения ротора генератора вырабатывается электрический ток. Отработанный пар проходит через конденсатор, превращается в воду и охлаждается в градирне.

Задание № 1

Коэффициент полезного действия ТЭС в среднем составляет 40%, а у ТЭЦ КПД достигает 70%. Почему при одинаковых затратах топлива КПД ТЭЦ выше, чем у ТЭС?

Ответ: при работе ТЭЦ горячая вода, получаемая за счёт сгорания топлива, идёт не только на производство электричества, но и на отопление домов или горячее водоснабжение. Тем самым более полно используется энергия, выделяемая при сгорании топлива

Конец формы

Задание № 2

В начале 20-х годов прошлого века ТЭС, работающей на каменном угле, для продажи 1 кВт·ч электроэнергии требовалось 15,4 кг угля; в 60-е годы этот показатель снизился до 3,95 кг угля. В дальнейшем, в связи с возросшими требованиями к экологии производства, на станциях установили газоочистители, уловители пыли и золы, и затраты угля выросли до 4,6 кг за 1 кВт·ч электроэнергии. Почему установка дополнительного оборудования увеличила расход топлива?

Ответ: для работы газоочистителей, уловителей пыли и золы требуется электроэнергия. Следовательно, часть вырабатываемой станцией электроэнергии должна идти на внутренние нужды. Тем самым увеличивается расход угля

Задание № 3

В процессе выработки электроэнергии на ТЭС происходят преобразования одних видов энергии в другие. Установите последовательность преобразования видов энергии при работе ТЭС.

А.Кинетическая энергия вращения турбины и ротора генератора

В. Тепловая энергия сгорания топлива

С.Внутренняя энергия воды и водяного пара

Д.Электрическая энергия, вырабатываемая генератором

Е.Кинетическая энергия водяного пара

Ответ: ВСЕАД

Задание № 4

Начало формы

Конец формы

У ТЭС, как и у любых других электростанций, есть недостатки и преимущества. Выберите среди предложенных утверждений те, которые демонстрируют экологические недостатки работы ТЭС.

А.Выделяют в атмосферу продукты сгорания: сернистые и азотистые соединения, углекислый газ.

В.ТЭС занимают небольшие территории и могут строиться в любом месте.

С.Электроэнергия производится постоянно и зависит только от поставки топлива

Д. В ближайшие водоёмы, как правило, сбрасывается тёплая вода, повышающая температуру воды водоёма.

Е.Потребляют большое количество невозобновляемых природных ресурсов.

F.Производство электроэнергии не зависит от условий окружающей среды.

Ответ: А, Д, Е

Задание №  5Начало формы

Конец формы

Начало формы

Конец формы

В таблице приведены данные об удельной теплоте сгорания различных видов топлива используемого в ТЭС, и его стоимости.

Вид топлива	Удельная теплота сгорания, Дж/кг	Стоимость за 1 т, руб
Дизельное топливо	4,2·107	38 000
Каменный уголь	2,9·107	12 000
Природный газ	4,5·107	21 000 (сжиженный)
Торф в брикетах	1,4·107	8 800

В XX в. некоторые ТЭС работали на торфе, однако в настоящее время этот ресурс практически не используется. Установки на дизельном топливе применяются, как правило, для удалённых районов, где не требуются значительные объёмы электроэнергии.

Чем объясняются такие особенности использования торфа и дизельного топлива?

Ответ: торф, очевидно, перестали использовать в связи с его низкой энергоэффективностью, поскольку у торфа, несмотря на невысокую цену, самая низкая теплота сгорания. Дизельное топливо имеет высокую удельную теплоту сгорания, но оно слишком дорого для массового производства электроэнергии

Комплексное задание  «Микроволновая печь»

Во второй половине XX в. в наш обиход вошли печи, в которых пища нагревается невидимым микроволновым, или сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. В бытовых микроволновых печах используется излучение частотой 2450 МГц. Такая частота установлена международным соглашением, чтобы не создавать помех работе радаров и других устройств, использующих электромагнитные волны микроволнового диапазона.

Чтобы нагреть пищу с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом – отрицательный. Подобных молекул в пище предостаточно – это молекулы жиров, сахаров и воды. В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, «плюсом» в одну сторону, «минусом» в другую. Когда поле меняет направление на противоположное, молекулы тут же переворачиваются на 180º. Под действием микроволнового излучения молекулы «кувыркаются» с большой частотой. Выделяющееся при этом тепло и разогревает пищу. Микроволны проникают внутрь примерно на 1–3 см. Глубже тепло распространяется уже за счёт теплопроводности.

Для лучшего прогрева столик внутри микроволновой печи вращается. Металл отражает микроволновое излучение, поэтому внутренние стенки микроволновой печи делают металлическими. Для СВЧ-печи годится не всякая посуда. Жаростойкое стекло, фарфор, сухие картон и бумага пропускают микроволны сквозь себя, поэтому в такой посуде можно разогревать пищу в микроволновой печи.

Задание № 1

Сколько раз за 1 с дипольные молекулы разворачиваются на 180^°, находясь в электромагнитном поле микроволновой печи?

А. 2450

В.4900

С.2450000000

Д.4900000000

Ответ: Д

Задание № 2

Зная скорость света в вакууме (3⋅10⁸ м/с),определите, чему равна длина излучаемой микроволновой печью электромагнитной волны. Ответ дайте в сантиметрах, округлив до сотых.

Ответ: 12,24 см.

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Начало формы

Конец формы

Задание № 3

Выберите все верные ответы.

А. В отсутствии электрического поля дипольные молекулы расположены хаотически.

В. В микроволновой печи можно применять стеклянную посуду с металлическим напылением.

С. Энергия электромагнитного излучения переходит в потенциальную энергию пищи.

Д. Стенки микроволновой печи направляют волны к пище.

Е. Пища, находящаяся во влажном картоне, будет разогреваться дольше, чем в сухом.

Ответ: А, Д, Е

Начало формы

Задание № 4

Конец формы

Мама в микроволновой печи приготовила на пробу небольшой кусок мяса. Рецепт понравился всем домочадцам. Решили по этому же рецепту приготовить большой кусок мяса. Как необходимо изменить (увеличить, уменьшить или оставить прежней) мощность микроволновой печи и время приготовления, чтобы приготовить большой кусок мяса в микроволновой печи? Свой ответ поясните.

Ответ: мощность - уменьшить, время приготовления - увеличить. Если уменьшить мощность, то кусок мяса не успеет подгореть, а если увеличить время приготовления, тепло из наружного слоя успеет проникнуть в глубь куска (за счёт теплопроводности), хорошо пропечёт внутреннюю часть

При выполнении подобных заданий учащимся необходимы не только навыки смыслового чтения, но и умение применять свой жизненный опыт.

В школьном курсе физики материал, направленный на формирование у учащихся естественнонаучной грамотности, представлен, но в используемых задачниках не содержатся подобные задания, соответственно, их выполнение не носит систематического характера. Но тем не менее на каждом этапе урока можно осуществлять формирование енг. В процессе изучения нового материала можно использовать тексты блоков без привлечения заданий, а учащимся предложить придумать вопросы к ним. На этапе закрепления рекомендуется включать контекст с 2-3 заданиями. Также можно предлагать дифференцированные домашние задания.

Необходимо стараться предлагать учащимся задания, которые будут значимы для них. Учащимся важно видеть, как полученные ими знания могут быть использованы в жизни. Этим, во многом, определяется ценность этих знаний.