CC BY
27
УДК 37
В.В. Лир ионов, Д. В. Пичугин, И. П. Чернов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА ФИЗИКИ ПРИ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОМ ОБУЧЕНИИ БАКАЛАВРОВ И ИНЖЕНЕРОВ
Томский политехнический университет
Физический эксперимент в процессе преподавания физики имеет огромное обучающее и воспитательное значение. Нашей целью не является полемика с представителями разных направлений в области экспериментальной поддержки курса физики, особенно для подготовки бакалавров и инженеров. Задача состоит не в отрицании других концепций модельного и виртуального практикума, а в обосновании и тщательной разработке собственных идей и методов. Несмотря на обилие работ и хорошую изученность [1-3], тема содержит в себе большое разнообразие подходов и высокую значимость для инженерною образования. В первую очередь это касается проблемно-ориентированного (ПОО) и элитного обучения студентов в области техники и технологии и создания для этих целей натурно-виртуального практикума. Анализу данного вопроса посвящена предлагаемая статья.
Рассмотрим на конкретных примерах основные проблемы, возникающие при внедрении предлагаемых методов в практику обучения. Эргономическая визуализация заменяет сложное текстовое описание объектов и образов, а визуальная рецепция технических объектов обладает важным преимуществом -высокой скоростью распознавания образов и заключенной в них информации, что важно в условиях, когда в мире практически каждые два года удваивается ее объем. В инженерном образовании визуализация, которая соответствует фрактальной методологии, развитию многомерного мышления, позволяет дополнительно проводить изменения и модификации изучаемого объекта, что весьма сложно осуществить на реальных объектах по многим причинам. Поэтому натурный практикум естественным образом обязан сопровождаться виртуальным практикумом, и наоборот. При этом натурный эксперимент может иметь компьютерную поддержку.
Как правило, моделирование в виртуальном практикуме сопровождается изображением несложной схемы эксперимента и представляет визуальное отображение математической функции, и хотя в категории проблемных ситуаций это также относится к плоскости действий субъекта [4], однако мало соответствует модификации изучаемого объекта по технологическому принципу. Моделирование в учебном процессе можно отнести к особым вспомогательным элементам, которые дополняют как лекционные и
практические занятия, гак и лабораторный эксперимент [5, б]. Вместе с тем в лабораторном практикуме моделирование обязано сопровождаться виртуальными образами. Кроме того, ясно, что по многим причинам ряд лабораторных работ можно выполнить только в натурно-виртуальном виде. Рассмотрим подробнее ряд примеров из натурно-виртуального практикума.
Обычно, виртуально исследуя интерференционные кольца Ньютона в монохроматическом свете, изменяют радиус кривизны линзы Я, длину волны излучения X и наблюдают изменение радиуса колец интерференционной картины на мониторе. Этот этап слсд>-ет считать предварительным моделированием, т.е. этапом, предшествующим преобразовательным действиям, которые, в свою очередь, должны соответствовать принципу полноты физической системы [6]. Назовем некоторые из этих действий. Что произойдет, если в устройстве для наблюдения колец Ньютона:
1) применить источник теплового излучения (рис. 1);
2) изменить в приборе расстояние между плоскопараллельной пластиной и линзой (и с какой точностью следует проводить это изменение);
3) изменить показатель преломления среды, заполняющей пространство между линзой и пластиной;
4) применить составную линзу в виде двух половинок разной кривизны;
5) применить составную пластину в виде двух половинок с разными показателями преломления;
6) применить составную линзу в виде двух половинок одинаковой кривизны, но с разными показателями преломления;
7) применить составной двухцветный светофильтр (рис. 1) ?
Натурно-виртуальный прибор позволяет ответить на эти вопросы, помогает использовать понятие длины когерентности и подробно исследовать влияние этого фактора на качество интерференционной картины. Еще пример. 11ри изучении движения частиц в магнитных полях полезно визуализировать различные траектории частиц с тем, чтобы виртуально реализовать магнитные поля, которые соответствуют каждой из траекторий 1,2, 3, 4 (рис. 2). Необходимо определить, какие катушки с током 5, 6, 7, 8, при каком их количестве и взаимном расположении создают магнитные поля, соответствующие каждой траектории.
нитные поля, соответствующие каждой траектории. При изучении важно не только «потрогать взглядом», но и произвести конкретные действия, например собрать электрическую схему, используя видеоизображения элементов реального прибора, лабораторной установки. Для визуализации нужно использовать стандартные задачи из вузовских сборников и слайды реальных приборов и деталей.
Рис.1. Интерференционная картина для составного зеленокрасного фильтра
ПЛЛЛГ ■'ТЛР і 2
ь- >
%
Рис. 2. Траектории движения заряженных частиц в магнитных полях
Виртуальная модификация является также одним из элементов ГІОО. Отметим, что в общем случае дидактическая система в лабораторном практикуме технических вузов реализуется следующими способами при их взаимном сочетании:
1. Системно(профессионально)-ориет ированным практикумом, когда проводится моделирование профессиональной деятельности.
2. Технолого-ориентированным физическим практикумом, при котором широко используется исследование веществ, применяемых в различных технологических целях, например кирпича, бетона, бензина, технических масел.
3. Традиционно-ориентированным практикумом, в котором в основном применяется оперативное использование знаний и получение экспериментальных навыков.
4. Проблемно-ориентированным физическим практикумом [6].
При реализации проблемно-ориентированного обучения учитывается, что поиск неизвестного в проблемной ситуации не совпадает с процессом решения задачи на семинарах и осуществляется по другим закономерностям. Ни трудные, ни легкие задачи не вызовут проблемной ситуации, так как при их решении основное требование состоит в том, чтобы установить неизвестные связи, определить их и получить неизвестную величину, тогда как проблемные ситуации имеют свою структуру. Проблемная ситуация представляет собой специфический вид взаимодействия объекта и субъекта и характеризуется прежде всего степенью трудности подлежащего усвоению материала, а при Г100-обязательным преобразованием изучаемой физической системы или объекта. Новое знание может быть понято, усвоено или применено для технического усовершенствования лишь при равном уровне с уже усвоенными знаниями [7]. Поэтому знания, необходимые для ПОО, сообщаются мотивированным способом и при условии, что преподавателю известны возможности студента, включающие как уровень достигнутых знаний, так и его творческие способности. Поэтому задания для мини-группы подлежат корреляции с имеющимися успехами, и чем раньше, тем эффективнее происходит решение проблемно-проектных задач.
Рассмотрим конкретный проект «Лабораторный прибор для изучения поведения веществ во внешнем магнитном поле», который выполняется в виртуальном виде. «Необходимые» измерительные приборы студенты выбирают путем маркетингового исследования по Интернету и каталогам фирм, работающих на томском рынке. Информация о приборах в виде слайдов и рекламно-технических параметров заносится в специальные файлы проекта. Заметим, что это необходимо, так как источником новой добавленной стоимости в настоящее время выступает дизайн, контроль качества, маркетинг и обслуживание.
Приводим полный текст задания.
Цель проекта: создать прибор для измерения силы, действующей на 1 г магнитного (диа-, пара-, ферромагнитного) вещества, помещенного в неоднородное магнитное поле.
Приборы и принадлежности: источник магнитного поля в виде короткой катушки с током, образцы диа-, пара- и ферромагнетиков.
При выполнении работы следует изучить:
1. Методику расчета неоднородного магнитного поля [8, с. 200-202].
2. Методику расчета времени установления стационарного магнитного поля [9, с. 184-186].
3. Методику расчета сил, действующих на вещество в магнитном поле [10, с. 384].
4. Самостоятельно разработать методику и технику эксперимента по измерению сил, действующих на I г вещества. Сделать выводы о применимости токов различных конфигураций для получения требуемых неоднородных полей. Визуализировать магнитные силовые линии. Расчеты свести в таблицу. Описание методик занести в файлы проекта.
5. Создать виртуальный проест поведения веществ в магнитном поле, применив Flash- технологии. Указать реальные приборы измерения времени, тока и магнитного поля. Разработать инструментальную (рис. 3) панель прибора, используя современный дизайн, и полную схему лабораторной установки. Провести измерения и их результаты занести в таблицу.
Вещество
dB/dz dB/dt То, I«. Z, В(2),
Н с А м Тл
2 10'5 1.9 0.038 0.01 10.0 0.01 0.0033
Краткие выводы. Протоколы обсуждения проектов.
В таблице: Fm- сила, действующая на единицу массы вещества, помещенного в магнитное поле; 10 -
максимальная сила тока в катушке; х0 - время установления максимального тока в катушке; dB/dz-градиент магнитного поля; z- координата расположения образца; dB/dt - скорость изменения магнитного ноля в данный момент. Индукция магнитного поля на оси катушки с током в точке с координатой z равна (
Ä(z) = ipp0M(/)
L-z
где Ь-длина катушки с током; ц - магнитная проницаемость среды; р0 - магнитная постоянная; N - число витков на единицу длины; 1(0 - ток в катушке при к 10. Силу, действующую на единицу массы диамагнитного вещества, находят по формуле
1 е
*т = Т---------ПГ
4 т
dz
где п - число молекул (атомов), содержащихся в одном грамме диамагнитного вещества; г-средний размер атома вещества; е — заряд электрона; т - масса электрона; с1В1 (к- градиент магнитного поля в точке х. Особые разногласия у «разработчиков» прибора вызывает методика определения силы, действующей на образец. Как правило, предлагаются ассоциативные аналоги, которые были изучены в предыдущих семестрах. Например, и-образный «манометр», измерительная система на основе машины Атвуда, один груз которой представляет диамагнитное вещество, а второй - небольшой стержень из ферромагнетика, находящийся внутри проволочного кольца с чувствительным гальванометром. При движении намагниченного стерженька в кольце возникает ЭДС индукции, по величине которой судят о силе, выталкивающей диамагнитный образец.
Обучение по изложенной методике требует 8 ч аудиторного и 16 ч внеаудиторного времени. В экспериментальных проектах участвовали студенты II курса физико-технического факультета и студенты факультета естественных наук и математики, обучающиеся в ТПУ по направлению «Физика».
Опыт применения ПОО в натурно-виртуальном виде показывает, что он органически включает в себя тестирование. Однако традиционные контролирующие и обучающие тесты не соответствуют рассматривае-
Ток I, А [ 1 ¡¿з II, Ом Г о7~"]^
: цгн| о.ооТ]:
Z, СМ 0.01
ВИТКОВ П 100
7J
t В, 1 t,ci 0 001
"I *
B(z), Тл -
Т, С”
0.00010663
0.01
B(tK Тл - 0.00011958
dB/dz, Тп/м = 0.17904818
Рис 3. Внешняя панель прибора для изучения магнитных свойств веществ
мой психологической структуре объекта познания. Это обусловлено:
1) недостаточно эффективным целеполаганием;
2) несоответствием современному уровню обучения технике и технологии (очень часто способ действия соответствует продолжающемуся школьному обучению, т.е. движению «назад»), условиям действия (это может быть решением задачи стандартного семинарского занятия, но при соответствующем учете проблемных ситуаций);
3) отсутствием функционального строения действий (цель, способ и условия выполнения).
Роль традиционных тестов, тем не менее, весьма существенна. Поэтому они должны входить в состав новых тестов в качестве фундаментальной компоненты. В литературе справедливо подчеркиваются основные недостатки тестов, связанные со случайным выбором ответа и отсутст вием тренировки речевого аппарата, что делает невозможным прослеживать логику рассуждения обучаемого. Эти недостатки устраняются тогда, когда обучение является корпоративным и связано с созданием новых лабораторных приборов, изучением и исследованием аналогов (рис. 4).
Возникающая новая отрасль дидактики высшей школы - электронная дидактика - в качестве проблемы изучения могла бы включить в цели разработку дидактически целесообразного натурно-виртуального лабораторного практикума и способов создания в нем проблемных ситуаций, вызывающих необходимую технологическую активность студентов. Новые программные оболочки типа РЕМЬаЬ.2.3 дают широкие возможности трансформировать и модифицировать физические объекты в трехмерном виде. Принципы модификации таких объектов уже сейчас требуют разработки дидактических приемов их применения. Иначе студент как носитель психики не будет согласован с современной психологической структурой объекта познания. Считаем, что для физики это должно происходить в рамках и схемах ПОО.
Очевидно, что информационные технологии, в том числе и информационно-педагогические, играют решающую роль только тогда, когда плотность потока новых учебных «продуктов» и информационных технологий в учебном процессе достаточно велика [7]. Это достигается согласованием программ изучения физики и информатики, использованием проблемно-ориентированного обучения с учетом следующих свойств знаний:
1. Знания увеличиваются, если они передаются, тиражируются и используются. Это реализуется путем создания банков виртуальных решений, полученных студентами. Исполнители проекта обязаны «побывать в таком банке», оставить «в файле» новые мысли, пусть самые абсурдные, запротоколировать идеи.
2. Если знания не используются, то они уменьшаются и разрушаются, поэтому проекты выбираются
так, что их расчетная часть обязательно содержит тематику предыдущих семестров.
3. Для знаний в настоящее время характерен сетевой эффект взаимодействия, который порождает новое явление возрастающей предельной полезности и возрастающей предельной производительности. Чем больше масштаб деятельности, тем больше эффективность вовлекаемых ресурсов, в том числе собственных интеллектуальных возможностей. Следовательно, проекты натурно-виртуального практикума должны соответствовать принципу полноты физической системы [6].
Кроме того, при обучении, и особенно проблемно-ориентированном, необходимо подчеркивать роль стандартов. Компания, которая становится обладателем стандарта, одновременно начинает доминировать в отрасли. Быстрое приобретение знаний в этой связи становится решающим фактором, так как интеллектуальный капитал, приобретенный при изучении физики, является определяющим для инженеров и бакалавров.
Все предложенное значительно дополняет традиционные процессы управления познавательной деятельностью, реализуемой в неявной форме в электронных учебниках, а также путем представления учебного материала при живом общении лектора с аудиторией. При ПОО эти процессы осуществляются в конкретно-мотивированной и деятельной форме, исключающей пассивность и представляющей непрерывную серию фундаментальных, но проблемных задач и проблемных ситуаций в виргуально-информацион-ном виде. Отметим, что об опыте применения проблемно-ориентированного обучения в ряде стран Европы сообщается в [11].
Заключение
1. Методическое обеспечение лабораторного практикума по физике, предложенное в работе, может служить эффективной базой для проблемно-ориентированною обучения студентов в области техники и технологии.
2. Виртуальные проекты, реализуемые во время обучения, должны учитывать проблемные ситуации как специфические условия взаимодействия объекта познания и субъекта психики.
3. Натурно-виртуальные эксперименты по схеме ПОО наилучшим образом соответствуют современным системам корпоративного обучения и управления знаниями, приобщения студентов к созданию новых виртуальных и «игровых» приборов.
4. Технологические тесты, которые входят в стандартные в виде дополнения к их фундаментальной составляющей, являются важным элементом в системе проблемно-ориентированного обучения инженеров и бакалавров.
Техническое решение может быть достигнуто при условии, что сердечник катушки:
1 ) полый.
2) сплошной.
3) диэлектрик,
4) выполнен в форме прутков
Для того, чтобы наблюдать дублет в спектре N8, нужно использовать:
1) кольца Ньютона,
2) диф. решетку,
3) натриевую лампу,
4) дисперсионную призму
Этот закон применен
дли расчета
вза имодействнн :
1) точечных масс,
2) точечных зарядов,
3) произвольных тел,
4) магнитных нолей,
5)электрических полей
Для того 41 обы система удовлетворяла принципу технологичности, изменяют массу, добавляя грузики:
1) магнитным полем,
2)электрическим,
3) электромагнитом,
4) непрерывно,
5) не грузики, а
заряды_______________
В МГД-генераторе движение частиц осуществляется:
1) по окружности,
2) в магнитном поле,
3)в электрическом поле
Дли того чтобы осуществить, надо использовать поле:
1) электрическое,
2) магнитное,
3)электромагнитное,
4) гравитационное,
5) неоднородное
электрическое________
Из хаотически предложенных данных составить задачу, собрать Схема реального или схему лабораторного прибора. Это пример эвристического виртуального эксперимента
метода построения виртуальной задачи и схемы натурно-
виртуального эксперимента____________________________________]__________________________
Рис. 4. Примеры формулирования тестов для проблемно-ориентированного обучения
Литература
1. Козел С.М., Тихомиров Ю.В. Виртуальный практикум по физике. - http://www.Dhvsicon.ru/: htto://www college/ru/:
Виртуальная физика (// http://stratum.ac.ru/rus/products/vphysics/)
2. PhysLab (http:// keva.tusur.ru/-vnf/)
3. labVIEW (http://www-2net.spbstu.ru/CD ED/virt-lab/labview.html)
4. Матюшкин A.M. Проблемные ситуации в мышлении и обучении. М., 1972.
5. Чернов И.П. и др. Соотношение компьютерных и реальных экспериментов в лабораторном практикуме по физике II Образовательные технологии: состояние и перспективы: Тр. науч.-метод. конф. Томск, 1999.
6. Ларионов В.В. Основные принципы проектно-ориентированного обучения физике в техническом университете II Изв. Томского политехи. ун-та. 2004. Т. 307. Ns 1. .
7. Гапоненко А Л. Управление знаниями. М., 2001.
8. Детлаф A.A. и др. Курс физики Т. 2: Учеб. пос. для вузов. М., 1977.
9. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2. М., 1978.
10. Парселл Э. Электричество и магнетизм: Учеб. рук-во. М., 1983.
11. http://www.docfizzix.com.
