Особенности подготовки студентов направления «Физика» к научно-исследовательской деятельности на начальном этапе обучения в вузе

ПЕДАГОГИКА

«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», №1, 2013

удк 53:372.8 И. М. Агибова [I. M. Agibova],

М. А. Беджанян [M. A. Bedzhanyan],

О. А. Нечаева [O. A. Nechaeva],

О. В. Федина [O. V. Fedina]

ОСОБЕННОСТИ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ НАПРАВЛЕНИЯ «ФИЗИКА»

к научно-исследовательской деятельности на начальном этапе

ОБУЧЕНИЯ В ВУЗЕ

Peculiarities of the research activity training of students of a direction of «Physicist» at the tutoring initial stage in higher school

В статье показана необходимость усовершенствования методики проведения лабораторного практикума по физике путем применения творческих заданий. Приведены примеры разработанных многоуровневых заданий, используемых при проведении лабораторного практикума «Электричество и магнетизм».

The necessity of the improvement of the methodology of the laboratory course in physics by means of the use of creative tasks is shown in the article. The examples of the developed multi-level tasks used during laboratory course of «Electricity and Magnetism» were presented.

Ключевые слова: научно-исследовательская деятельность, исследовательские умения, творческие задания, лабораторный практикум.

Key words: research activity, research skills, creative tasks, laboratory classes.

Подготовка студентов направления «Физика» к научно-исследовательской деятельности является первоочередной задачей, закрепленной в ФГОС ВПО. Опыт показывает, что студенты, занимающиеся исследовательской работой с первого или второго курсов, становятся более самостоятельными и успешными в дальнейшей работе, поэтому начинать подготовку студентов к такой деятельности необходимо на самых ранних этапах обучения в вузе. Однако решение этой задачи вызывает трудности и требует дальнейшего совершенствования.

В течение нескольких лет на кафедре общей физики проводится эксперимент по формированию исследовательских умений студентов-физи-ков младших курсов средствами лабораторного практикума. Студенты на занятиях дополнительно выполняют разработанные авторами задания творческого характера. Исходя из того, что специалист-физик должен уметь применять физические методы исследования к самым разным объектам, творческие задания имеют различную тематику и направленность: с использованием «нестандартных» материалов, например, магнитной жидкос-

ти; с биологическим, химическим или иным «нефизическим» содержанием; с применением научных экспериментальных установок; с задачами конструирования и изготовления фрагментов экспериментальных установок; с использованием информационных технологий и т. д.

Особый интерес у студентов-физиков вызывают творческие задания с использованием магнитной жидкости (МЖ), в которой возникают интересные эффекты при воздействии на нее электрическим и магнитным полями.

Некоторые творческие задания делятся на три уровня сложности.

Задания первого уровня — самые сложные. Преподаватель только обозначает проблему, вся остальная работа: определение задачи, подготовка и постановка эксперимента, обработка результатов — проводится студентами самостоятельно. Если они не справляются с заданием, им предлагается перейти к решению задач второго уровня сложности.

Для заданий второго уровня проблема остается той же, только формулировка изменена так, что содержит подсказки: ограничивается круг приборов и материалов, намечаются различные пути выполнения задачи.

Третий уровень заданий предлагается студентам, если они не смогли выполнить предыдущий. Он максимально упрощен, но элементы творчества в нем все равно присутствуют.

При разработке заданий были использованы идеи, взятые из различной методической и научно-популярной литературы, а также возникшие в результате учебно-исследовательской и научно-исследовательской работы авторов.

Приведем примеры трехуровневых заданий с применением магнитной жидкости к лабораторной работе «Изучение магнитных полей».

Задание 1

Первый уровень сложности. Известно, что электрические свойства магнитной жидкости обнаруживают незначительную анизотропию при воздействии на нее внешнего магнитного поля. Необходимо показать, что композиционная среда, полученная путем добавления в магнитную жидкость мелкодисперсного наполнителя — немагнитных частиц с низкой и высокой электропроводностью, обнаруживает значительную анизотропию электрических свойств при воздействии магнитного поля [1].

Для решения поставленной задачи студенту необходимо:

1) изучив зависимость сопротивления магнитной жидкости на основе керосина от напряженности магнитного поля, направленного перпендикулярно и параллельно электрическому полю, убедиться, что анизотропия ее электрических свойств незначительна;

2) приготовить образец композиционной среды путем добавления в МЖ мелкодисперсного немагнитного наполнителя — графитовой или эбонитовой пыли с последующим ультразвуковым перемешиванием компонентов;

3) поместив слой полученной среды под микроскоп, провести исследование зависимости поведения структур из частиц наполнителя от направления внешнего магнитного поля;

4) исследовать зависимость сопротивления магнитной жидкости с немагнитным наполнителем от величины магнитного поля, направленного перпендикулярно и параллельно электрическому полю;

5) убедиться в анизотропии сопротивления композиционной среды при совпадении направлений магнитного и электрического полей и их взаимно перпендикулярного направления;

6) по полученным результатам сделать вывод о влиянии структурных образований на электрические свойства МЖ.

7) представить и защитить полученные результаты.

На рисунке представлены полученные студентами фотографии, позволяющие сделать вывод о влиянии направления внешнего магнитного поля на структуры из частичек наполнителя, помещенного в композиционную среду.

Второй уровень сложности.

Нужно исследовать зависимость сопротивления готовой композиционной среды, полученной путем добавления в МЖ мелкодисперсного наполнителя — немагнитных частиц с низкой и высокой электропроводностью, от напряженности магнитного поля, направленного параллельно и перпендикулярно электрическому полю. Сделать выводы из полученных результатов.

Студент работает с готовой композиционной средой. Остается нерешенным вопрос, как спроектировать, собрать установку и провести эксперимент, чтобы возможно было объяснить полученные результаты.

Для выполнения этого задания студенту необходимо:

1) спроектировать и собрать установку для изучения зависимости поведения структур из частиц наполнителя от направления внешнего магнитного поля;

2) поместив тонкий слой полученной среды (с использованием предоставленной ячейки) под микроскоп, провести исследование зависимости поведения структур из частиц наполнителя от направления внешнего магнитного поля;

3) исследовать зависимость сопротивления магнитной жидкости с немагнитным наполнителем от величины магнитного поля, направленного перпендикулярно и параллельно электрическому полю;

4) убедиться в анизотропии сопротивления композиционной среды при совпадении направлений магнитного и

электрического полей и их взаимно перпендикулярного направления;

5) по полученным результатам сделать вывод о влиянии структурных образований на электрические свойства МЖ, представить и защитить полученные результаты.

Третий уровень сложности.

Требуется исследовать зависимость сопротивления готовой композиционной среды, полученной путем добавления в МЖ мелкодисперсного наполнителя — немагнитных частиц с низкой и высокой электропроводностью, от напряженности магнитного поля, направленного параллельно и перпендикулярно электрическому полю, на предложенной преподавателем установке. Установка состоит из двух источников постоянного тока, проградуированных катушек Гельмгольца и специально изготовленной ячейки. Сделать выводы из полученных результатов.

Студенту для выполнения задания необходимо:

1) собрать предложенную преподавателем установку для изучения зависимости поведения структур из частиц наполнителя от направления внешнего магнитного поля;

2) провести исследование зависимости поведения структур из частиц наполнителя от направления внешнего магнитного поля, наблюдая изменения в тонком слое композиционной среды в ячейке с помощью микроскопа;

3) убедиться в анизотропии сопротивления композиционной среды, исследуя его зависимость от величины магнитного поля, направленного перпендикулярно и параллельно электрическому полю;

4) сделать вывод о влиянии структурных образований на электрические свойства МЖ и представить полученные результаты.

Выполнить задания третьего уровня, включающие в себя элементы творчества, под силу не только сильным студентам, но и средним и даже слабым. Несмотря на то, что формулировка задания упрощена (студенту выдается готовый образец и установка), элемент творчества в нем не утрачен. Студенту необходимо составить план и самостоятельно провести исследования, сделать выводы.

Задание 2

(к лабораторной работе «Изучение магнитных полей») Первый уровень сложности. Разработать и провести эксперимент для исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости МЖ.

Второй уровень сложности. Разработать и провести эксперимент для исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости МЖ, используя нагреватель, выполненный на внешней стороне трубки бифилярной намоткой, и проградуированную медь-констан-тановую термопару.

Третий уровень сложности. Разработать и провести эксперимент для исследования температурной зависимости эффективной магнитной восприимчивости МЖ, используя однослойный соленоид, нагреватель, выполненный на внешней стороне трубки бифилярной намоткой, и проградуированную медь-константановую термопару, продумав теплоизоляционную защиту соленоида от нагревателя.

Задание3

(к лабораторной работе «Изучение магнитных полей») Первый уровень сложности. Пронаблюдать за траекторией движения капли магнитной жидкости в постоянном [2] и переменном [3] однородных магнитных полях в жидкой среде (воде или глицерине). Исследовать зависимость времени падения капли в жидкой среде от величины напряженности однородного постоянного поля. Исследовать зависимость времени падения капли в жидкой среде от частоты однородного переменного магнитного поля.

Провести исследования для следующих ситуаций:

1) направление магнитного поля совпадает с направлением движения капли;

2) направление магнитного поля перпендикулярно направлению движения капли;

3) направление магнитного поля образует некоторый острый угол с направлением движения капли.

Второй уровень сложности. Пронаблюдать за траекторией движения капли магнитной жидкости в постоянном и переменном однородных магнитных полях в жидкой среде (воде или глицерине). Исследовать зависимость времени падения капли в жидкой среде от величины напряженности однородного постоянного поля. Исследовать зависимость времени падения капли в жидкой среде от частоты однородного переменного магнитного поля.

Провести исследования для следующих случаев:

1) направление магнитного поля совпадает с направлением движения капли;

2) направление магнитного поля перпендикулярно направлению движения капли;

3) направление магнитного поля образует некоторый острый угол с направлением движения капли.

Для выполнения задания использовать следующие приборы: источник постоянного напряжения DC POWER SUPPLY HY, генератор Г3-123 с усилителем мощности LV 103, электронный секундомер.

Третий уровень сложности.

На предложенной экспериментальной установке пронаблюдать за траекторией движения капли МЖ в постоянном и переменном однородных магнитных полях в жидкой среде (воде или глицерине). Исследовать зависимость времени падения капли в жидкой среде от величины напряженности однородного постоянного поля. Исследовать зависимость времени падения капли в жидкой среде от частоты однородного переменного магнитного поля.

Провести исследования для следующих случаев:

1) направление магнитного поля совпадает с направлением движения капли;

2) направление магнитного поля перпендикулярно направлению движения капли;

3) направление магнитного поля образует некоторый острый угол с направлением движения капли.

Для выполнения задания использовать следующие приборы: источник постоянного напряжения DC POWER SUPPLY HY, генератор Г3-123 с усилителем мощности LV 103, электронный секундомер.

Опыт показывает, что организация учебного процесса с элементами научных исследований различной степени сложности способствует формированию у всех студентов физического подхода к решению экспериментальных задач. Они учатся планировать эксперимент, работать со сложным современным оборудованием, описывать и интерпретировать экспериментальные данные, оценивать правильность и достоверность проведенных исследований. Исследовательские умения, сформированные при выполнении таких заданий, помогают студентам в проведении самостоятельных экспериментов по дисциплине специализации, а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смерек Ю. Л., Халин К. А. Влияние магнитного поля на электрофизические свойства магнитных жидкостей с мелкодисперсным немагнитным наполнителем // Научно-инновационные достижения ФМФ в области физико-математических и технических дисциплин. Материалы 52-й научно-методической конференции. Ставрополь: Изд-во СГУ, Ставропольское книжное изд-во, 2007. 444 с.

2. Копылова О. С., Закинян Р. Г., Диканский Ю. И. Особенности движения капли магнитной жидкости в магнитном поле // Известия вузов. СевероКавказский регион. Естественные науки. 2006. № 2. С. 50-54.

3. Копылова О. С. Особенности движения капли магнитной жидкости в постоянном и переменном магнитном полях // Сборник тезисов 11-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых. Екатеринбург: изд-во АСФ Россия, 2005. С. 260-261.

ОБ АВТОРАХ

Агибова Ирина Марковна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», доктор педагогических наук, заместитель директора Института естественных наук по учебной работе. agibova@yandex.ru

Беджанян Марита Альбертовна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Института естественных наук. bedganian@mail.ru

Нечаева Оксана Александровна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Института естественных наук. o_a_nechaeva@mail.ru

Федина Ольга Викторовна, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», кандидат педагогических наук, доцент кафедры общей физики Института естественных наук. fedina_ov@mail.ru

Agibova Irina Markovna, doctor of Pedagogical Sciences, Deputy Director of Institute of Natural Sciences, North-Caucasian Federal University. agibova@yandex.ru

Bedzhanyan Marita Albertovna, сandidate of physical and mathematical sciences, assistant professor, Department of general physics, Institute of Natural Sciences, North-Caucasian Federal University.

Nechaeva Oksana Aleksandrovna, candidate of physical and mathematical sciences, assistant professor, Department of general physics, Institute of Natural Sciences, North-Caucasian Federal University.

Fedina Olga Viktorovna, candidate of pedagogical sciences, assistant professor, Department of general physics, Institute of Natural Sciences, North-Caucasian Federal University.