Экспериментальное обеспечение курса физики при проблемно-ориентированном обучении бакалавров и инженеров

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

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

2. PhysLab

3. labVIEW

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.