Преподавание физики в системе дистанционного обучения через Internet в Московском институте энергобезопасности и энергосбережения Текст научной статьи по специальности «Математика»

Научно-методические проблемы и новые технологии образования

39 =

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАЗОВАНИЯ

УДК 621.3.064.3

Преподавание физики в системе дистанционного обучения через Internet в Московском институте энергобезопасности и энергосбережения

В. Г. Лысенко,

кандидат технических наук, доцент кафедры естественнонаучных и общетехнических дисциплин МИЭЭ

Сегодня информационные технологии обучения интенсивно внедряются в систему образования, в том числе в высшую школу. Во многих вузах страны разрабатываются системы дистанционного обучения через Internet. В Московском институте энергобезопасности и энергосбережения эта работа ведется с 2005 года на базе программного продукта «MOODLE».

Ключевые слова: подготовка персонала, дистанционное обучение, физика.

Курс физики соответствует государственному образовательному стандарту, читается в течение четырех семестров и содержит следующие части:

Физические основы механики. Молекулярная физика и термодинамика;

Электромагнетизм;

Физика колебаний и волн. Оптика. Квантовая физика;

Физика атома. Физика твердого тела. Основы ядерной физики.

Вначале изложена программа курса, приведен рекомендуемый график изучения дисциплины и методические рекомендации для студентов, даны основная и дополнительная литература.

Каждая часть электронного курса содержит введение, а теоретическая часть разбита на разделы, которые, в свою очередь, состоят из отдельных тем (глав электронной книги). Каждая тема состоит из подразделов (параграфов).

Любой подраздел реализован с использованием ресурса «лекция», в конце которого добавлены вопрос или задача для контроля знаний, полу-

ченных студентом в этом подразделе. При отсутствии правильного ответа студенту предлагается снова повторить и разобраться в изложенном материале. При правильном ответе студент имеет возможность перейти к следующему подразделу. Таким образом, вся теоретическая часть разбита на небольшие порции с обязательным контролем полученных студентом знаний.

В конце темы приведены контрольные вопросы для самопроверки.

В электронном курсе предусмотрены по каждой теме семинарские занятия, на которых рассматриваются решения типовых задач.

Кроме теоретического материала, электронный курс содержит обязательные контрольные работы, которые выполнены с использованием ресурса «тест». Каждому студенту случайным образом предлагается решить по пять задач на каждый раздел курса. Например, контрольная работа по разделу «Физические основы механики» выглядит следующим образом.

шишиииИ

= 40

Энергобезопасность и энергосбережение

Просмотр. Контрольная работа 1. Физические

основы механики

Начать заново

Question 1 Баллов: —/1

131. Локомотив трогается с места и движется с ускорением a1 = 2 м/с2. Через время t = 10 с после начала движения двигатель выключается и локомотив движется до остановки равнозамедленно. Коэффициент трения ктр=0,1, g = 9,8 м/с2. Найдите наибольшую скорость и , время t движения локомотива, его ускорение a2 при равнозамедленном движении полное расстояние s. Результат получите в системе СИ, округлите до двух значащих цифр после запятой. Размерность не указывать.

Скорость I I м/c

Время I I ________ c

Ускорение a^ '—'м/c2 Расстояние О м

Отправить

Отправить

Отправить

Question 4 Баллов: —/1

197. Рассчитайте отношение е/т0 заряда электрона к его массе при скорости электрона, много меньшей скорости света, и отношение e/m при скорости, равной 95 % скорости света. Сравните эти отношения между собой. Результат получите в системе СИ, округлите до двух значащих цифр после запятой. Размерность не указывать.

Отношение e/m-01 |

Отношение e/m

Отправить

Question 5 Баллов: —/1

152. Вагон массой m=16 т двигается с начальной скоростью ^0=60 км/ч и под действием силы трения

F

my

Question 2 Баллов: —/1

104. С высоты h =100 м под углом к горизонту a = = 30о брошено тело со скоростью U0, g=9,8 м/с2. Найдите время полета тела t, начальную скорость U0, скорость в момент его удара о землю и угол Р°, который составит вектор скорости с горизонтом в точке его падения, если оно пролетело по горизонтали путь s=250 м.

Результат получите в системе СИ, округлите до двух значащих цифр после запятой. Размерность не указывать.

Время с

Начальная скорость м

Скорость в момент удара м/с

Угол 0

через некоторое время останавливается. Найдите работу А силы трения и коэффициент трения ктр, если вагон прошел до остановки путь в=1 км, g=9,8 м/с2. Результат получите в системе СИ, округлите до двух значащих цифр после запятой. Размерность не указывать.

Работа □ Дж

Коэффициент трения

Отправить

Сохранить, но не отправлять Отправить страницу

Отправить все и завершить тест

Question 3 Баллов: —/1

164. Однородный маховик радиусом R=0,25 м и массой m=15 кг вращается в вертикальной плоскости с угловым ускорением вокруг оси, проходящей

горизонтально через его центр. Касательная сила F=20 Н приложена к ободу маховика. Найдите угловое ускорение e, частоту вращения n и кинетическую энергию диска '^к через время t=20 с после начала движения. Результат получите в системе СИ, округлите до двух значащих цифр после запятой. Размерность не указывать.

Угловое ускорение рад/с2

Частота вращения об/с

Кинетическая энергия Дж

Студент имеет возможность, решив отдельную задачу и не завершая теста, отправить решение и получить ответ на вопрос, правильно или неправильно он решил задачу. При правильном ответе на все задачи он может завершить тест. При неправильном ответе студенту необходимо снова вернуться к этой задаче и работать до получения верного ответа.

При составлении задач для контрольных работ использовались вопросы типа «вложенные ответы». Такой подход позволяет вводить численный ответ с допуском. Нами был выбран допуск ± 5%.

Отличительной особенностью курса физики является наличие лабораторных работ. Лабораторные работы базируются на методических материалах, изложенных в [1, 2]. При разработке лабораторных работ для системы дистанционного обучения использовались ИавЬ-технологии. К настоящему времени разработано более двадцати лабораторных работ по всем частям физики.

Каждая лабораторная работа состоит из четырех разделов: теоретической части, допуска студентов к лабораторной работе, практической части и отчета с контрольными вопросами.

Теоретическая и практическая части к лабораторной работе реализованы с использованием ресурса «лекция», а допуск к работе и отчет реализованы с использованием ресурса «тест». Процесс настройки ресурсов к лабораторной работе изложен в [3].

Студент после проработки теоретической части переходит к «Исходным данным для расчетов и проведения эксперимента к лабораторной работе». Допуск студента состоится в том случае, когда он правильно проходит тест с исходными данными, а именно, числовой ответ, введенный им, отличается

НВИЯИИШИ'

Научно-методические проблемы и новые технологии образования

41 ==

не более ± 5% от истинного значения. После этого студент переходит к практической части лабораторной работы. Таким образом, неподготовленный студент не допускается к выполнению работы, что, на наш взгляд, повышает качество обучения.

Практическая часть лабораторной работы содержит описание компьютерной модели исследуемого физического явления, органов регулировки параметров, рабочего задания и таблиц для внесения экспериментальных данных.

В качестве примера приведена практическая часть к лаб. работе № 7.2 «Квантово механическая модель атома водорода».

Описание компьютерной модели

Модель предназначена для иллюстрации строгого решения задачи о состояниях атома водорода при значениях главного квантового числа п = 1, 2 и 3. При графическом изображении радиальных распределений вероятности удобно в качестве переменной величины использовать нормированное отношение р=г/гі, где Гі - радиус первой боровской орбиты.

В верхней части экрана высвечиваются радиальные распределения ^р)|2или р2^р)|2.

Функция р2^р)|2 является аналогом плотности вероятности обнаружения электрона в сферическом слое [г, г+йг] на различном расстоянии р=г/гі от ядра атома и имеет такой же физически наглядный смысл, как и на рис.1.

В верхней части экрана воспроизводятся для заданных значений квантовых чисел п, I, т пространственные распределения радиальной части функции |R( р)|2 или функции р 2|R(р )|2, а в нижней части экрана - квадрат волновой функции |у |2 или функция р2|у |2 (электронное облако).

Л Л

У \1/ V

-30 -15 ° 15 30

Квантовые числа

п = [ Г"

/» Г^""Й

т = 1 1

Волновая функция

Р = г/г, г,= 0.529 -ю"10 м

• • • •

Тип изображении

О |К(р)|2 • р21ВД12

Рис. 1. Компьютернаямодельатома водорода

Рабочее задание.

1. Подготовьте табл. 1.

2. Установите значение главного квантового числа п=1, (1=п-1=0, т=±1=0). Этот случай соответствует 1 б состоянию электрона в атоме водорода. В окошке «Тип изображения» установите точку для изображения функции р2^р)|2 и нажмите клавишу «Показать». По графику в верхней части рисунка определите нормированный радиус р=г/гр где Г1=0,529-10-10 м и заполните первые 6 колонок первой строки ^=1) табл. 1. В колонке 7 нарисуйте вид электронного облака.

Таблица 1

к п 1 т Краткая запись состояния электрона в атоме Нормированный радиус р, соответствующий максимуму плотности 91 19 вероятности р2Щр)|2тах Эскиз электронного облака

1 1 0 0

2 2 0 0

3 2 1 0

4 2 1 + 1

5 2 1 -1

6 3 0 0

7 3 1 0

8 3 1 +1

9 3 1 -1

10 3 0

11 3 2 +1

12 3 2 -1

13 3 2 +2

14 3 2 -2

стишиииИ

= 42

Энергобезопасность и энергосбережение

3. Аналогичным образом, изменяя значения квантовых чисел п, I, т, заполните остальные строки (к=2-14) табл. 1.

Отметим, что инженеру-энергетику XXI века необходимо иметь элементарные представления о современном квантово-механическом подходе к описанию атома водорода, который является основным элементом водородной энергетики энергетики будущего [4]. Поэтому нами была включена в цикл лабораторных работ вышеприведенная работа.

При разработке квантово-механической модели атома водорода нам пришлось обратиться к трудам Л.Д. Ландау [5]. Ниже даны формулы, описывающие волновые функции атома водорода Уп, I, т(Р, в, Р)=Кп, 1(Р)У1, т(в, Р), которые являются решением уравнения Шредингера. Радиальная функция Яп г(р) для квантовых чисел п, I зависит от нормированного радиуса р=г/а, где

а=Г1= 5,2910-11 м - радиус первой боровской орбиты, а угловые функции У1, т(9, р) зависят от углов (0, р), в сферической системе координат.

Выпишем несколько первых радиальных функций [3], необходимых для построения компьютерной модели:

Й10(р)=2е-Р,

Й2о(Р)=(1/20,5)е-р/2(1-р/2),

Кзо(р)=(2/3)(1/30,5)е-р/3(1-2р/3+(2/27)(р2)), Й21(р)=(1/2)(1/60,5)р е-р/2,

Кз1(рН8/27)(1/6°,5) р е-р/3(1-р/6), К32(р)=(4/81)(1/300,5) р2е-р/3.

Компьютерная модель иллюстрирует строгое решение задачи о состояниях атома водорода при значениях главного квантового числа п= 1, 2 и 3.

Выражения для несколько первых волновых функций с учетом угловых функций Уг, т(0, р) имеют вид [3]:

|уш(г,0, р)|2=(1/Р )е-2р ,

|У2ОО(Г,0, Р)|2=(1/(8 Р))е-р(1-р/2)2,

2=(1/(32 я)) р 2 е-р соб20

2=(1/(64 я)) р2е-р бш20,

У300(Г,0, р)|2=(1/(27 я)) е-2р/3[(1-2р/3+(2/27)( р2)]2,

У210(гД Ф)

УшМ, Ф)

У310(гД Ф)

Уш(гД Ф)

Уш^0, Ф)

У321(г,0> Ф)

У322(гД Ф)

2=(8/(272 я)) р2 е-2р/3(1-р/6)2соБ20,

2=(4/(272 я)) р2 е-2р/3(1-р/6)28Іп20,

2=(1/(19683 2 я)) р4е-2р/3(1-3со820)2, (1/(6561- я)) р4е-2р/3 С082 0БШ20, (1/(6561-4я )) р4е-2р/3БШ40.

В верхней части экрана высвечиваются радиальные распределения |йп, г(р)|2 или р2|Кп, г(р)|2.

В нижней части экрана в положении переключателя «Тип изображения» |йп,г(р)|2 отображается в полярных координатах пространственное распределение вероятности |уп I т(г,0, р)|2; в положении переключателя «Тип изображения» р2|-Кп, г(р)|2 отображается пространственное распределение вероятности р2|уп I т(г,д, р)|2 (электронное облако).

Отметим, что программисты МИЭЭ под руководством Е. Г. Губского успешно справились с задачей построения компьютерной квантово-механической модели атома водорода и тем самым подняли уровень обучения наших студентов на должную высоту.

При оценке качества полученных знаний была принята следующая шкала оценок: 20% - за освоение теоретического материала; 40% - за безупречное выполнение контрольных работ; 40% - за полное выполнение лабораторных работ. Таким образом, студент, безошибочно выполнивший все элементы, набирает 100%. Работа студента, набравшего 80 - 100%, оценивается «отлично», 70 -80% - «хорошо», 60 - 70% - «удовлетворительно».

Отметим, что на кафедре естественнонаучных и общетехнических дисциплин Московского института энергобезопасности и энергосбережения изложенная в статье концепция построения системы дистанционного обучения физики внедрена, прошла апробацию в 2008-2009 гг. и доказала свою состоятельность и надежность.

Отдельные вопросы построения системы дистанционного обучения требуют обсуждения и доработки.

Литература

1. Открытая физика. Полный интерактивный курс физики. Ч. 1. Механика. Механические колебания и волны. Термодинамика и молекулярная физика / Под ред. С. М. Козела. ООО «Физикон», 2005.

2. Открытая физика. Полный интерактивный курс физики. Ч. 2. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны. Оптика. Основы специальной теории относительности. Квантовая физика. Физика атома и атомного ядра / Под ред. С. М. Козела. ООО «Физикон», 2005.

3. Губский Е. Г. Концептуальный подход к организации виртуальных лабораторных работ по физике в системе дистанционного обучения «MOODLE»//Энергобезопасность и энергосбережение. - 2008.- № 4.

4. Манаев О. И. Динамика и структура энергетики // Энергобезопасность и энергосбережение.- 2008.- № 4.

5. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. Т. 3. 4-е изд.- М.:Наука, 1989.