Специфика организации исследовательской работы учащихся по физике с экологической тематикой

УДК 53

ББК 74.262.23

Андрющенко Владимир Александрович

соискатель г. Радужный Яворук Олег Анатольевич доктор педагогических наук г. Ханты-Мансийск Andryushenko Vladimir Alexandrovich Post-graduate Raduzhny Yavoruk Oleg Anatolievich Doktor of Pedagogics Khanty-Mansiysk Специфика организации исследовательской работы учащихся по физике с экологической тематикой Specific Organization of Pupils’ Research Work in Physics with Ecological Topics

Методика изучения курса физики с экологическим содержанием является одной из наиболее актуальных проблем современного естественнонаучного образования. В статье освещается проблема организации исследовательской деятельности учащихся по физике с экологической тематикой. Предложены подходы по формированию и развитию исследовательских умений с помощью комплекса методов и средств обучения, применяющихся сообразно организационным формам занятий с учетом целей обучения и специфики конкретного блока содержания.

The study of the ecological Physics is one of the most actual problems of modern science education. This article presents the problem of students’ research work organization in Physics with ecological topics. The variants of formation and development of research skills are being touched through the complex of methods and ways of teaching, using according to the organization forms of studies, the control of the aims of teaching and specification of the concrete contents block.

Ключевые слова: физика, исследовательская работа, обучение физике, экологическое образование, учащиеся.

Key words: Physic, research, Physics education, ecological education, pupils.

Экологизация курса физики способствует как реализации целей и задач

экологического образования, так и улучшению качества физического образования за счет повышения интереса к изучению физики. Системное включение проблемных, творческих задач, а в дальнейшем, и работа над практическими заданиями с экологическим аспектом, как в урочное, так и во внеурочное время, по нашему мнению, способствует развитию у учащихся синтетического интегративного мышления, исследовательских умений [2,3,4].

Проанализировав исследования различных авторов, посвященные формированию исследовательских (экспериментальных) умений, мы пришли к выводу, что исследовательские умения - умения, обеспечивающие овладение учащимися методами научного познания в процессе учебной и самостоятельной деятельности, формирующие интерес, потребность личности в творческой (исследовательской) деятельности.

В учебном процессе формирование и развитие исследовательских умений осуществляется с помощью комплекса методов и средств обучения, применяющихся сообразно организационным формам занятий с учетом целей обучения и специфики конкретного блока содержания.

Для решения проблем, связанных с экологическим содержанием обучения, нами используются следующие методы: словесные (объяснение, лекция, беседа, дискуссия и др.), наглядные (демонстрация и др.), практические (экспериментальные и практические работы, работа с раздаточным материалом, упражнения и др.), проблемного изложения (знакомит учащихся не только с найденными решениями, но и с логикой поиска этих решений), эвристические (овладение отдельными этапами решения проблемных задач), исследовательские (предполагают поиск решения целостной задачи).

Выбор методов изложения материала определяется двумя основными критериями:

- обеспечение понимания содержания физических и экологических знаний об объектах, явлениях и действиях;

- обеспечение условий для развития логических и творческих способностей обучаемых в процессе экологического образования.

Для достижения первой цели наиболее эффективны методы сообщения готового знания путем информирующего и проблемного изложения. Развитие логического мышления достигается при использовании методов дедуктивного выведения и эвристического поиска.

Основная задача состоит в эффективной организации самостоятельной познавательной деятельности обучающегося. А это достигается тем, что в процес-

се развития интереса к научному познанию, выполнения научно-практических работ с экологическим направлением, мы, как и в повседневном учебном процессе, используем технологии формирования системных структурных элементов физических знаний, в основе которых лежит методика формирования физических понятий, обобщенных умений, формирования экспериментальных умений, разработанных А.В.Усовой [2,3].

Для организации исследовательской работы учащихся, формирования практических умений, навыков работы с измерительными приборами мы используем во время факультативных занятий по всем разделам физики набор лабораторного оборудования - «Лаборатория Ь-микро».

По мере успешного решения задач с экологическим содержанием как теоретического, так и экспериментального характера возникшее любопытство пробуждает любознательность; временный интерес, обусловленный данной деятельностью и ее содержанием, переходит в устойчивый познавательный интерес и становится направленностью личности. Таким образом, учебно-познавательная деятельность сама по себе становится привлекательной и побуждает ею заниматься, и учащийся получает удовлетворение от самого процесса познания. В современной психологии выделяются следующие этапы творческого процесса:

- осознание и выделение проблемы;

- поиск путей и способов ее решения;

- проведение экспериментов, их обработка и обобщение в виде выводов и гипотез;

- представление идеи в виде графических, математических структур;

- реализация творческого замысла и его значимости.

Основные этапы, используемые нами в исследовательской деятельности учащихся при выполнении работы отражены в таблице 1.

Следует отметить, что научная работа учащихся (с экологическим содержанием) успешна, если ее тематика [1,4]:

-связана с учебной программой по физике (но иногда выходящей за пределы даже углубленного курса) и имеет межпредметное содержание, в частно-

сти, физики с экологией;

-содержит элементы экспериментальных и теоретических экологических исследований;

-опирается на техническую базу и инженерный потенциал производственных предприятий, осуществляющих природоохранную деятельность.

Таблица 1

Структура деятельности учащихся при выполнении исследовательской

работы с экологическим содержанием

№ п/п Этапы деятельности Логическая последовательность действий

1. Планирование исследования с экологическим содержанием Разработка метода исследования (актуализация теории, определение состава контролируемых величин и способа их определения с учетом экологических факторов, прогноз точности и достоверности результатов, определение оптимальных методик проведения измерений, в том числе диапазона варьирования величин, способов фиксации результатов), проектирование экспериментальной установки

2. Выполнение действий по получению первичных экологических данных Сборка, наладка и тестирование экспериментальной установки, подготовка макета прибора, выполнение измерений, фиксирование их результатов

3. Внедрение прибора в производство с учетом экологии биосферы Технические показатели и анализ работы прибора в промышленных условиях. Перспективы дальнейшего совершенство-вания прибора с целью контролируемой, безаварийной (экологической) эксплуатации оборудования.

За время работы в МОУ СОШ №4, являющейся окружной эксперимен-

тальной площадкой по экологии, подготовлено 34 исследовательские работы, многие из которых отмечены дипломами на городских, окружных и всероссийских научных конференциях молодых исследователей. Практически все работы велись во внеурочное время, причем данная деятельность требует от учащихся большой самоотдачи.

Круг вопросов, подлежащих исследованию учениками, достаточно широк

- от теоретических до экспериментальных. Мы считаем, что типология исследовательских работ учащихся по физике с экологическим содержанием должна отражать: проблемы загрязнения окружающей среды, проблемы мониторинга

загрязнения, проблемы предотвращения загрязнения, проблемы профилактики загрязнения окружающей среды.

Экологический мониторинг, например, должен содержать современные физические методы. В работе с экологическим содержанием, выполненной по договору с экологическим центром ХМАО-Югры, «Применение полупроводниковых приборов для расширения возможностей средств телекоммуникации в экологическом мониторинге» нами обосновано создание и разработка устройства в сочетании с измерительными средствами, позволяющими получить информацию о состоянии окружающей среды из труднодоступных, удаленных районов. В работе с экологическим аспектом «Исследование зависимости распределения мелкодисперсных глинистых систем в атмосфере на основе статистической физики» учащийся получил соотношение, позволяющее просчитать конкретную ситуацию по закономерности распределения микронных и субмик-ронных частиц песка в зависимости от внешних условий (без учета конвективных потоков). Данное теоретическое исследование было подтверждено экспериментом.

Целью следующей работы данной тематики «Экологический аспект в реализации космических программ» являлось исследование возможности запуска «космических ракет» за счет экологически чистого источника энергии - энергии электрического поля Земли (Ез=130В/м), а также исследование изменения характеристик полета «ракеты» за счет ее взаимодействия в верхних слоях атмосферы.

В этом же направлении интересны работы:

-«Использование пространственно-репрезентативной системы для анализа поля концентрации загрязняющих веществ в воздушном бассейне»;

-«Исследование электромагнитного поля ретрансляционных установок»;

-«Изучение естественного радиационного фона в районах добычи нефти»;

-«Основные закономерности трансформации озоносферы и их влияние на экологию»;

-«Оценка качества воздуха нефтедобывающих районов».

Актуальны работы, связанные с изучением принципа действия и разработки альтернативных источников энергии. Так в работе «Об одной модели волнового генератора» предложен оригинальный, экологически чистый способ получения энергии. В настоящее время установка апробирована в лабораторных условиях.

Ряд работ, выполненных учениками, посвящен исследованию применения низкоэнергетического лазерного излучения в оториноларингологии: «Влияние лазерного излучения на биоплазму», «Общие принципы и частные методики магнито-инфракрасно-лазерной терапии в оториноларингологии», «Исследование низкоэнергетического лазерного излучения при лечении патологии уха». Одним из отличительных свойств современной медицины является непрерывное появление новых лекарственных средств. Это, в общем, положительное явление, имеет свою оборотную сторону, поскольку мало кто из исследователей анализирует отдаленные негативные экологические последствия их применения. К подобным последствиям можно отнести различные аллергии, осложнения и т. п. На этом фоне в 60-х годах, после создания источников когерентного светового излучения (лазеров), возникли попытки использования их излучения для целей медицины. Несмотря на многообразие еще не разрешенных до конца теоретических вопросов, связанных с развитием лазерной терапии, по нашему мнению, главным критерием оценки целесообразности и эффективности ее применения в лечении больных был и остается исключительно клинический ответ в виде положительной динамики заболевания и его течения. Иными словами, если от воздействия лазерного, магнито-инфракрасно-лазерного (МИЛ) излучения отмечается положительная динамика заболевания: значительное клиническое улучшение течения заболевания, снижение частоты обострений, достижение стойкой и длительной ремиссии - то такую терапию следует считать эффективной.

Никогда, видимо, не будет предложена универсальная и безотказная схема лечения с применением лазерного излучения, но понимание определенных закономерностей и использование всего многообразия средств воздействия все-

гда помогут наилучшим способом разрешить возникшую проблему. Результаты работ имеют положительный момент в использовании лазерного излучения при лечении больных и профилактике заболеваний в экологически неблагоприятных районах.

Следует отметить и следующие, достаточно интересные практические работы, связанные с разработкой приборов, новых технологий в нефтедобывающем комплексе: «Разработка манометра для контроля давления на устье нефтяной скважины в динамическом режиме»; «Противокоррозийная защита нефтепроводов с использованием электрических явлений».

Ремонтные работы из-за отказов глубинно-насосного оборудования становятся все более затратными, экологически неблагоприятными, поэтому требуются все более эффективные и прогрессивные формы организационных мероприятий.

Для решения этой проблемы необходима полнота и достоверность информации о работающем оборудовании, а также комплексная ее обработка. В интеграции этих данных, в их комплексной обработке кроются значительные резервы в повышении эксплуатации глубинно-насосного оборудования. Поэтому создание устройств, помогающих собирать и накапливать информацию, играет важную роль в решении названной проблемы - эффективного использования нефтяного оборудования.

Следует отметить, что большинство нефтяных месторождений Западной Сибири вступило в завершающую стадию разработки. Добыча нефти ведется механизированным способом. Высокая обводнённость добываемой продукции при низких объемах добычи, наличие осложнений, вызванных высокой мине-рализованностью добываемой жидкости, механическими примесями, отложением парафинов и солей, образованием гидратов увеличивают отказ глубиннонасосного оборудования, ремонт которого проводится со значительными затратами времени, финансовых средств и приводят к невосполнимым потерям нефти, ведущим к антропогенной нагрузке на биосферу. Поэтому задача снижения затрат на основе организационных мероприятий является актуальной и востре-

бованной. Для решения этой проблемы необходима полнота и достоверность информации о работающем оборудовании, а также комплексная ее обработка.

При выполнении данной работы мы руководствовались методологией научных исследований, разработанной А.В.Усовой [2].

Целью нашего исследования является создание электронного устьевого манометра, позволяющего накапливать данные об устьевом давление нефтяной скважины. Анализ полученной информации способствует своевременному выявлению и устранению отклонений в работе ЭЦН (электроцентробежного насоса) от оптимального режима, чем повышается его межремонтный период и значительно уменьшаются затраты на единицу добытой тонны нефти. Объектом исследования является УЭЦН (установка электроцентробежного насоса), наработка на отказ которой, меньше, чем среднестатистическая наработка по региону Западной Сибири.

Предметом исследования является количество параметров, позволяющих контролировать работу ЭЦН: фазные токи и напряжения погружного электродвигателя, дисбаланс токов и напряжений, сопротивление изоляции, потребляемую мощность.

В исследовании мы исходим из следующей гипотезы. Положительный результат исследования может быть достигнут при условии, если:

- будет увеличено число контролируемых параметров УЭЦН;

- полученные статистические данные будут внедряться для анализа и подтверждения правильности принятого решения;

- будет осуществлено выполнение проектных показателей по добыче нефти.

Исходя из цели и гипотезы исследования, в данной работе ставятся следующие задачи:

-проанализировать научную литературу с целью изучения состояния проблемы по способу измерения устьевого давления на нефтяных и газовых скважинах;

-проанализировать имеющиеся аналоги и осуществить выбор микроконтроллера;

-апробировать манометр на производстве;

-при необходимости скорректировать эксплуатационные характеристики манометра.

Разработанный устьевой манометр позволяет получать информацию об устьевом давлении нефтяной скважины при работающем УЭЦН за длительный период. Научная новизна работы заключается в предложении по использованию вместо мембранных манометров электронного манометра с йа8Ь-памятью, накопленные данные которого используются для более эффективного управления УЭЦН. Разработка имеет большую практическую значимость, так как позволяет оптимально управлять процессом нефтедобычи. При этом снижается аварийность, улучшается экологическая обстановка на нефтепромыслах. Разработанный электронный устьевой манометр прошел апробацию при проведении промыслово-геофизических исследований в ООО «ГеоЛайн» г. Радужный и показал практическую ценность его применения. Прибор прошел испытания и на скважинах, оборудованных УЭЦН и подключенных к системе телемеханики в ООО «Белые ночи», где продемонстрировал способность своевременно выявлять и устранять отклонения в работе УЭЦН от оптимального режима.

Увеличение количества контролируемых параметров позволяет более качественно управлять УЭЦН. Для создания фиксированного отбора жидкости из скважины необходимо увеличить перепад давления. Это достигается спуском насосного агрегата на большую глубину. Для того, чтобы продукция скважины могла преодолеть более высокое давление, создаваемое столбом жидкости, находящейся в насосно-компрессорных трубах, насосу придется повысить напор. Но повышение напора приведет к изменению рабочей характеристики двигателя. Если насос до спуска работал в области максимального КПД (коэффициент полезного действия), то после спуска произойдет перемещение рабочего режима насоса в область увеличения напора. Вместе с этим произойдет уменьшение КПД. Снижение КПД установки обусловлено уменьшением величины полезно затраченной работы. А как показывает практика нефтедобычи, разность, равная уменьшению полезной работы насоса, идет на создание новых усложнений при

эксплуатации УЭЦН. Устьевое давление относится к группе управляющих параметров, изменение которых однозначно определяет ту или иную ситуацию.

Основа прибора - микроконтроллер, который может управлять различными устройствами и принимать от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число периферийных схем уже имеется непосредственно на кристалле микроконтроллера. Это позволяет уменьшить размеры конструкции и снизить потребление от источника питания. Главной особенностью является то, что с их помощью можно гораздо легче и дешевле реализовать различные технические проекты по контролю технологических процессов. Прибор имеет высокую разрешающую способность по давлению, что значительно повысило объективность исследований, уменьшило вероятность ошибки при обработке результатов измерений.

Практически все выполненные работы требуют от учащихся достаточно высокого уровня знаний и умений, поэтому они постоянно посещали во внеурочное время как элективный курс «Физические основы экологии», так и факультативный курс по решению проблемных, творческих задач (теоретических и экспериментальных) с экологическим направлением. Обязательные результаты изучения элективного курса полностью соответствуют стандарту образования. Требования направлены на реализацию деятельностного личностноориентированного подходов; овладение знаниями и умениями необходимыми в повседневной жизни, позволяющими ориентироваться в окружающем мире, значимыми для сохранения окружающей среды и собственного здоровья.

Практика показывает, что изучение элективного курса позволяет учащимся глубже понять смысл физических и экологических понятий, законов, а также они приобретают умения:

- описывать и объяснять физические явления с экологическим аспектом, отличать гипотезы от научных теорий, приводить примеры практического использования полученных знаний, воспринимать и самостоятельно оценивать информацию, содержащуюся в Интернете, научно-популярных статьях;

- использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни, обеспечить безопасность жизнедеятельности в процессе использования средств радио и телекоммуникационной связи, бытовых приборов;

- анализировать и оценивать влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды;

- содействовать рациональному природопользованию и защиты окружающей среды;

- иметь собственную позицию по отношению к экологическим проблемам.

Нами регулярно проводятся научно-практические конференции с экологическим содержанием. Целью проведения конференций является:

- расширение знаний по вопросам применения изучаемых физических, экологических понятий и законов в практике человека;

- приобретение навыков работы с электронными приборами, а также овладение технологией конструирования приборов;

- формирование умения работать с научной, научно-популярной, справочной литературой;

- овладение, в конечном счете, умением самостоятельно работать над научно-исследовательским проектом, создавать презентации и защищать работу на конференциях различного уровня;

- развитие интереса к научному познанию посредством экологизации курса физики.

Содержание выполняемых исследовательских работ связано с такими трудными понятиями электродинамики, как: энергия электромагнитного поля, плотность потока энергии, лазерное излучение и т.д.

Теоретическая значимость данного исследования заключается в том, что нами предложен новый подход к развитию исследовательских умений учащихся, опирающийся на экологическую тематику, а также межпредметные связи экологии и физики в школьном естественно-научном образовании.

Библиографический список

1. Бекмухамбетова, С.Х. Организация научно-исследовательской работы школьников как один из способов формирования физических понятий [Текст]/С.Х. Бекмухамбетова, Н.И. Темиркулова, А.В. Юшков //Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: материалы XXXIII Международной научно-практической конференции, 15-16 мая, 2006 г., Челябинск.- Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2006.- Ч. 2.- С. 198-201.

2. Усова, А.В. Методология научных исследований: Курс лекций [Текст] /А.В.Усова. -Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2004.-130 с.

3. Усова, А.В. Формирование у учащихся общих учебно-познавательных умений в процессе изучения предметов естественного цикла [Текст]: пособие к спецкурсу/А.В.Усова. -Челябинск: изд-во ЧГПИ «Факел»,1994.- 25 с.

4. Яворук, О.А. Понятия о методах учебного познания в обобщающем интегративном курсе «Естествознание» для старшеклассников [Текст]/ О.А.Яворук //Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов: материалы XXXIII Международной научно-практической конференции, 15-16 мая, 2006 г., Челябинск.- Челябинск: Изд-во ИИУМЦ «Образование», 2006.- Ч. 2.- С. 189-192.

Bibliogaphy

1.Bekmukhametova, S.Kh. Organization of Pupils’ Research Work as One of Physics Conception Forming Methods [Text]/S.H. Bekmukhametova, N.I. Temirkulova, A.V. Yushkov. Methodology and Methods of Pupils and Students’ Scientific Conceptions Forming: Materials of XXXIII International Scientific-and-Practical Conference, 15-16 May, 2006, Chelyabinsk. - Chelyabinsk: “Obrazovaniye” Publishing House of IIUMTS, 2006. - Part 2.- P.198-201.

2. Usova, A.V. Methodology of Scientific Researches: Course of Lectures [Text]/ Usova A.V.

- Chelyabinsk: ChSPU Publishing House, 2004. - P. 130.

3. Usova, A.V. Development of Pupils’ Common Educational and Cognitive Skills in the Process of Natural Sciences Studying: Study Guide to a Special Course [Text]/ Usova A.V. -Chelyabinsk: “ Fakel” Publishing House of ChSGPI, 1994. - P.25

4. Yavoruk, O.A. Conceptions of Educational Knowledge Methods in Generalized Integrative Course “Science” for Senior Pupils [Text] / Yavoruk O.A. Methodology and Methods of Pupils and Students’ Scientific Conceptions Forming: Materials of XXXIII International Scientific-and-Practical Conference, 15-16 May, 2006, Chelyabinsk. - Chelyabinsk: “Obrazovaniye” Publishing House of IIUMTS, 2006. - Part 2.- P.189-192.