Музей физических явлений как средство организации самостоятельной работы студентов и школьников

МУЗЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ КАК СРЕДСТВО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ

MUSEUM OF PHYSICAL PHENOMENA AS A MEANS OF ORGANIZING INDEPENDENT WORK OF STUDENTS AND SCHOOLCHILDREN

Н. Ю. Ершова, О. Э. Кулдавлетова, А. И. Назаров, А. С. Штыков

Рассмотрена организация интерактивной самостоятельной работы студентов и школьников на базе научного музея физических явлений Петрозаводского государственного университета. Показаны способы формирования ряда актуальных профессиональных компетенций в ходе изучения образовательного модуля «Электричество и магнетизм» по дисциплине «физика». Приведены примеры учебных контрактов между преподавателем и студентом или школьником на создание новых экспонатов для музея физических явлений.

N. Yu. Ershova, O. E. Kuldavletova, A. I. Nazarov, A. S. Shtykov

Interactive organization of independent work of students and schoolchildren on the basis of science museum physical phenomena of Petrozavodsk State University is being examined. Methods of forming a number of actual professional skills through the study of the education module "Electricity and Magnetism" in Physics course are shown. The examples of learning contracts between a teacher and a student or schoolchildren on the creation of new exhibits for the museum of physical phenomena are described.

Ключевые слова: музей физики, интерактивная самостоятельная работа, профессиональные компетенции, учебный контракт.

Keywords: physics museum, interactive independent work, professional competence, learning contract.

Введение

В рамках реформы высшего образования произошла смена знаниевой модели образования компетентностным подходом к обучению. Одним из ключевых требований к условиям реализации основных образовательных программ согласно федеральным государственным образовательным стандартам третьего поколения является: «...широкое использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся» [1]. При этом неотъемлемую и существенную часть учебного процесса должна составлять самостоятельная, в том числе внеаудиторная, работа студентов, на которую отводится практически половина времени, выделенного для освоения образовательного модуля (дисциплины).

Существуют различные формы организации самостоятельной работы студентов. Наиболее распространены из них следующие:

• решение задач;

• анализ результатов моделирования процессов и свойств объекта;

• написание отчета по лабораторной работе;

• самостоятельное изучение теории по заданной теме с указанием (или без) списка литературы;

• написание реферата или эссе на заданную тему;

• подготовка презентации или публичного выступления на семинаре и др.

Среди относительно новых интерактивных форм самостоятельной работы, способствующих мотивации школьников и студентов к изучению физики и ее приложений, можно выделить работу с сетевыми образовательными ресурсами [2] и занятия в образовательных центрах, музеях науки [3-4]. Создав доступный, привлекательный образовательный комплекс, можно обеспечить неразрывную связь знаний с умениями, проявляемую непосредственно в самостоятельной деятельности студента.

По результатам статистических исследований влияния научных центров и интерактивных музеев на процесс обучения, проводившихся в Северной Америке, Европе и Австралии, было выявлено, что

• 87% научных центров и музеев были в большей степени ориентированы на базовое понимание предмета;

• 54% сфокусированы на более фундаментальных научных знаниях;

• 18% стремились сформировать оценку и мнение у посетителей относительно науки;

• 14% было отведено на развлекательные функцию;

• 7% влияли на выбор профессии у детей [5].

Знания и впечатления, полученные в музее, гораздо

прочнее и запоминаются учениками на более долгое время, нежели полученные в ходе стандартных уроков в школе, при этом наиболее запоминающимися являются экспозиции, с которыми можно взаимодействовать [5].

Рассмотрим организацию интерактивной самостоятельной работы студентов на базе научного музея физических явлений Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ). По этой же методике во время запланированных экскурсий может быть организована интерактивная деятельность, а затем и научно-исследовательская работа школьников.

Музей физических явлений

В 2009-2010 гг. в рамках проекта, поддержанного Фондом некоммерческих программ «Династия» по программе «Научный музей 21 века» на базе физико-технического факультета ПетрГУ и Научно-образовательного центра «Плазма» была создана постоянно действующая экспозиция, демонстрирующая явления самоорганизации систем разного рода. Основу музея составили пять экспонатов из различных областей науки:

• пылевая плазма,

• гидродинамика,

• химическая кинетика,

• фракталы,

• самоорганизация в водных растворах.

Целью данного проекта являлось пробуждение интереса у школьников и студентов к науке посредством демонстрации «красивых» явлений окружающего их мира и предложение задуматься о том, что открывать новые знания, развивать науку - это необыкновенно увлекательно. Отметим, что в музее представлены явления, объяснение сути которых лежит не только в области физических систем, но и в сфере социальных, экономических и иных глобальных процессов.

Посетителям представляется все многообразие существующих объяснений того или иного эффекта, и уже их задача - пропустив знание через себя, изучив тематику (экскурсия длится 1,5 ч) и существующие гипотезы, попытаться самостоятельно принять решение о сути наблюдаемых явлений. В результате приходит понимание, что в мире существует еще очень много неизученного и непознанного.

Творческий подход и привлечение художников к созданию музея, видео- и аудиосопровождение позволили показать в экспозиции как физическую сторону явлений, так и затронуть вопрос о гармонии в окружающем мире, что особенно важно в плане формирования общекультурных компетенций.

В 2010-2011 гг. появилась идея в дополнение к существующей экспозиции реализовать проект «Самоорганизация систем - общение напрямую». Следствием стало добавление интерактивных экспонатов, предоставившее возможность посетителям (под присмотром смотрителя музея) своими действиями влиять на протекания представляемых физических явлений, наблюдая возникновение, протекание и затухание эффектов самоорганизации, постигать их суть.

Были созданы экспериментальные стенды в виде закрытых прозрачных треугольников, расположенных на подставках, из которых выведены манипуляторы - переключатели, различные регуляторы, изменяющие параметры, такие как освещенность, сила тока, напряжение, уро-

вень столба жидкости, время протекания реакции и другие, влияющие на тот или иной эффект. Для пояснения наблюдаемой картины представлены плакаты и постеры, популярно объясняющие суть явления, и рекомендательная информация о том, что можно проделать с помощью манипуляторов. Время, в течение которого посетители могут находиться на данной выставке, практически не ограничено.

Ежегодно музей посещают около 1000 человек -школьники, студенты, преподаватели и сотрудники ПетрГУ, гости столицы Карелии.

Интерактивная внеаудиторная работа студентов в музее

Основные образовательные программы инженерной подготовки в базовой части математического и естественнонаучного цикла дисциплин содержат требования:

• знать фундаментальные законы природы и основные физические явления;

• уметь использовать физические законы, применять полученные знания по физике и химии при изучении других дисциплин, выделять конкретное физическое содержание в прикладных задачах профессиональной деятельности;

• владеть современной научной аппаратурой, навыками ведения физического эксперимента [1].

Оценить уровень усвоения материала, умения и навыки, приобретенные студентами, сам факт формирования определенных профессиональных компетенций преподаватель может только в практической деятельности студента. Именно поэтому «программа бакалавриата вуза должна включать лабораторные практикумы и/или практические занятия по дисциплинам (модулям) базовой части, формирующим у обучающихся умения и навыки в области математики, физики, информатики... а также по дисциплинам (модулям) вариативной части, рабочие программы которых предусматривают цели формирования у обучающихся соответствующих умений и навыков» [1].

Традиционно существенное место в освоении дисциплины «физика» занимает лабораторный практикум. Преимущество такой формы учебной деятельности состоит в том, что студенты успевают в ограниченное время выполнить необходимый объем учебных исследовательских заданий, приобретая знания об основных законах и явлениях, исходя из собственного опыта. При аудиторной форме проведения занятий и наличии индивидуального подхода, выраженного в формулировании заданий разного уровня сложности [2], возможно, это оптимальный вариант.

Однако методическое обеспечение лабораторных практикумов очень часто содержит жестко регламентированный перечень пунктов, которые необходимо выполнить студентам для достижения поставленной цели. В этом случае задание максимально формализовано, и обучающиеся не имеют возможности на стадии выполнения работы в полной мере проявить творческое мышление, новый, может быть, нестандартный подход для ее выполнения.

Музей физических явлений дает возможность интерактивного получения знаний и умений, вовлекая уча-

щихся в захватывающий и таинственный мир физических явлений самоорганизации. Экспозиция музея занимает отдельное помещение в учебном корпусе физико-технического факультета ПетрГУ. Для индивидуальной работы (под присмотром смотрителя музея) обеспечен свободный доступ, позволяющий студентам самостоятельно определиться со временем и периодичностью выполнения работ.

В музее представлены следующие стенды:

1. Явление визуализации звуковых колебаний и волн -фигуры Хладни (рис. 1).

Рис. 1. Фигуры Хладни

Представлен эффект упорядочения мелких сыпучих частиц песка в картины, которые образуются скоплением мелких частиц вблизи узловых линий на поверхности колеблющейся металлической пластинки. Каждому собственному колебанию пластинки соответствует свое расположение узловых линий, демонстрирующее распределение звуковых колебаний и волн на поверхности металла. Интерактивность строится на том, что студент, варьируя параметры звуковых колебаний (амплитуду и частоту), изменяет распределение пыли на поверхности металла. В ходе эксперимента образуются упорядоченные симметричные узоры.

2. Коллективные явления в ферромагнитной жидкости (рис. 2).

Рис. 2. Коллективные явления в ферромагнитной жидкости

Ферромагнитная жидкость - это наноразмерные частички твердых ферромагнетиков (железа), смешанные с силиконовым маслом. Эта жидкость может проявлять интересные свойства при помещении в магнитное поле. Эф-

фект заключается в упорядоченной картине распределения «пиков» в ферромагнитной жидкости в зависимости от изменения наводящегося магнитного поля. В качестве проводника магнитного поля используются металлические конусы. Студенты могут влиять на результат опыта, изменяя величину напряженности магнитного поля.

3. Неньютоновская жидкость (рис. 3).

Рис. 3. Неньютоновская жидкость

Демонстрация эффекта изменения вязкости жидкости за счет изменения силы воздействия на нее. Экспонат включает емкость с неньютоновской жидкостью, находящуюся в низкочастотном динамике. При определенных значениях частоты и амплитуды колебаний в жидкости самоорганизуются доменные структуры повышенной вязкости.

Вращая регуляторы, можно изменять частоту звука и амплитуду колебания мембраны сабвуфера соответственно. При низких частотах звука мембрана совершает небольшие колебания, поэтому смесь остается жидкой. Поворачивая ручку, мы изменяем частоту колебаний мембраны, то есть увеличиваем градиент скорости жидкости. Смесь становится твердой. Можно наблюдать появление интересных самоорганизующихся структур.

4. Разделение струи жидкости под воздействием звуковых колебаний разных частот (рис. 4).

Рис. 4. Разделение струи жидкости под воздействием звуковых колебаний

Из металлической трубки бьет струя воды, на которую воздействуют звуковые колебания, создаваемые динамиком. Струя проявляет высокую чувствительность к частоте. Изменяя ее, можно добиться совершенно разных картин: две абсолютно идентичные струи, струи разного диаметра и т. д. Суть этого явления в том, что любая струя при течении распадается на капли, при совпадении частоты звука с частотой естественного образования капель распад струи на капли начинает происходить раньше со

строгой периодичностью. Звук как бы отрывает от струи одинаковые капли в одинаковые промежутки времени. Эти капли быстро движутся по траектории, создавая эффект одной струи.

С помощью регуляторов, расположенных на панели, можно изменять частоту и громкость звука, издаваемого динамиком. Наиболее эффектные картины достигаются при частотах от 50 до 500 Герц.

5. КольцаЛизеганга (рис. 5).

Рис. 5. Кольца Лизеганга

Концентрические окружности на рис. 5 - это результат реакции между нитратом серебра и дихроматом калия на стеклянной пластине, покрытой желатином. В результате продукт реакции выпадает в осадок и распространится по пластинке в виде концентрических окружностей. Кольца Лизеганга - яркий пример явления самоорганизации и формообразования в химических системах. Исходные вещества и результат:

HCl + AgNO3 ^ AgCl + растворимые продукты;

2KI + Pb(NO3)2 ^ PbI2 + растворимые продукты;

MgSO4 + 2NH3OH ^ Mg(OH)2 + растворимые продукты.

Раствор относительно низкой концентрации одного из исходных веществ помещается в чашку Петри, после чего концентрированный раствор другого вещества добавляется в центр чашки. В процессе диффузии второго вещества и его реакции с первым формируется последовательность концентрических колец выпадающей в осадок соли.

Кольца Лизеганга используются в прикладном искусстве для украшения различных изделий с имитацией яшмы, малахита, агата и других полудрагоценных камней. Кроме того, структуры, подобные этим, в природе образуют плесень на поверхности камней и концентрические «разводы» гидроокислов железа внутри мелкозернистых песчаников и алевролитов.

Студенты и школьники имеют возможность провести собственные реакции и проследить за их течением, рассчитать характерный диаметр колец и управлять скоростью течения реакции.

Организация интерактивной внеаудиторной работы

Сегодня эффективность внеаудиторной деятельности студентов снижают такие факторы, как отсутствие навыков творческой работы, формальный подход студентов к выполнению заданий, а порой и преподавателей к составлению заданий, критериям их оценки, неопределенность

сроков представления отчетов по самостоятельной работе. Поэтому в рабочей программе дисциплины физика (модуль «Электричество и магнетизм») [2] приведена таблица «Самостоятельная работа». Она содержит сведения о сроках выполнения задания, тему для изучения, форму проведения занятия и количество часов на его выполнение.

В таблице представлен фрагмент примерной организации самостоятельной работы по модулю «Электричество и магнетизм», реализованному по направлению бакалавриата «Информатика и вычислительная техника». В ПетрГУ на изучение этого модуля отведено 3 кредита, что составляет 108 ч, из них 54 ч - самостоятельная работа студентов.

Интерактивные занятия в музее физических явлений по теме «Автоколебания в электромагнитном поле» могут включать следующий перечень заданий:

1. Вычисление параметров электромагнитов и силы взаимодействия с ферромагнитной жидкостью.

2. Расчет характеристик блоков питания для электромагнитов с учетом размеров дросселя, толщины провода и предельно допустимой температуры нагрева дросселя.

3. Определение параметров проводника магнитного поля (штыря) - линейных размеров, шага резьбы и пр.

4. Выявление закономерностей распределения ферромагнитной жидкости на магнитопроводе.

5. Оценка параметров течения ферромагнитной жидкости и установление характера ее распределения на поверхности магнитопровода. Исследование возможностей применения ферромагнитной жидкости в машиностроении, электронных устройствах и пр.

Представляется удобным использование балльно-рейтинговой оценки результатов самостоятельной работы или всех видов деятельности студентов по модулю. В этом случае оценивается каждый этап, а в дальнейшем выставляется общая оценка за выполнение всей совокупности работ.

Учебный контракт на создание новых экспонатов

В рамках научно-исследовательской работы студенты и школьники имеют возможность стать непосредственными участниками процесса создания музея, пополняя коллекции экспонатов, выполняя свои первые самостоятельные проекты. Для организации проектной деятельности были разработаны учебные контракты на создание механической экспозиции музея.

Учебный контракт заключается между преподавателем и студентом или школьником, представляет собой технологию реализации индивидуального научно-исследовательского проекта. В нем приводятся общие сведения по теме проекта, определяются цели и задачи, описываются конкретные механизмы и даются указания по построению установок, которые могут стать экспонатами для музея физических явлений либо прототипами экспонатов, проверяющими работоспособность механизма и определяющими некоторые технические параметры, в соответствии с которыми должен строиться экспонат. По итогам каждого этапа предусматривается отчет или промежуточная аттестация.

Таблица

Фрагмент календарного плана самостоятельной работы студентов по теме «Электромагнитные колебания»,

связанной с посещением музея

Тема лекции Тема для самостоятельного изучения Вид деятельности Количество часов Сроки

Электромагнетизм. Электромагнитные колебания Автоколебания в электромагнитном поле Изучение теории по заданной теме 2 3-я неделя семестра

Интерактивные занятия в музее физических явлений 4 4-я неделя семестра

Анализ результатов наблюдения явления и написание отчета 2 5-я неделя семестра

Подготовка презентации или публичного выступления на семинаре 2 6-я неделя семестра

Развитие экспозиции музея предполагает изготовление новых экспонатов по четырем разделам:

1) самоходные шагающие механизмы: Янсена - экспонаты «лошадь» и «многоножка»; Чебышева - экспонат «стопоход Чебышева»; Кланна - экспонат «краб»;

2) механизмы, работающие на стеклянных шариках: экспонаты «механический двоичный сумматор» и «марбл-машина»;

3) гидравлические механизмы: экспонат «гидравлическая рука», «гидравлический лифт» и «гидравлический манипулятор»;

4) колебательные системы: гармоногра-фы - экспонаты «трехмаятниковый гармоно-граф», «пинтограф» и «одномаятниковый гар-монограф»; маятники - экспонаты «маятник Фуко», «колыбель Ньютона», «волновой маятник» и «двойной хаотический маятник».

В 2012-2013 гг. в рамках бакалаврской квалификационной работы были разработаны 16 учебных контрактов и для проверки качества разработанных заданий реализован проект одномаятникового гар-монографа.

Целью работы являлось создание одномаятникового гармонографа с двумя степенями свободы и лазером, рисующим на люминофорной поверхности. В процессе выполнения задания решались следующие задачи:

1. Изучить основы теории колебаний.

2. Рассмотреть различные виды гармонографов и проанализировать получаемые с их помощью изображения.

3. Продумать способ подключения лазера к источнику питания.

4. Подобрать люминофор.

5. Выбрать способ представления механизма в качестве экспоната для музея физических явлений ПетрГУ.

6. Построить механизм одномаятникового гармоно-графа, проверить его работоспособность.

В результате был выбран простой вариант исполнения экспоната, включающий источник питания, лазер, подвес и люминофорную поверхность. Установка содержит один маятник, имеющий две степени свободы и способный совершать колебания в плоскости. Грузом маятника выступает лазерная указка, точка подвеса лазера располагается центрально по оси указки, в одну линию с лучом лазера, во

избежание искажения картины колебаний. Использовался лазер фиолетового цвета с длиной волны 300 нм. В соответствии с этим был подобран люминофор, возбуждаемый длиной волны от 200 до 450 нм. Люминофор имеет зеленое свечение. Экспонат использует лазер и люминофорную поверхность для получения графического отображения колебаний маятника (рис. 6), позволяющего по рисунку определять некоторые параметры системы.

Примеры (а, б) получаемых с помощью гармонографа треков колебаний

Положение точки лазерного луча отслеживается с помощью камеры, при этом записываются координаты луча. На основе полученных данных рисуются треки колебаний, рассчитываются их параметры, что дает возможность студентам и школьникам наглядно увидеть и изучить свойства колебательного движения при изменении начальных параметров.

Заключение

Открытие музея физических явлений на базе физико-технического факультета ПетрГУ способствует вовлечению будущих студентов в интересный и захватывающий мир физики, дает школьникам стимул к участию во Всероссийской олимпиаде по физике, технике и технологии «Шаг в будущее». И, как продолжение, развитие активного, целенаправленного приобретения новых знаний и умений выступает самостоятельная научно-исследовательская работа в музее студентов, позволяя им приобрести новый опыт творческой исследовательской деятельности, способствуя формированию универсальных и профессиональных компетенций.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральные государственные образовательные стандарты (ФГОС) высшего профессионального

образования [Электронный ресурс]. URL: http:// petrsu.ru/Abit/doc_FGOS/index.html (дата обращения 24.07.2013).

2. Назаров А. И., Ханин С. Д. Принципы проектирования предметного содержания и представления учебного материала в электронных учебно-методических комплексах по физике // Телекоммуникации и информатизация образования. 2006. № 3. С. 25-32.

3. Музей оптики СПбГУ ИТМО [Электронный ре-

сурс]. URL: http://www.optimus.edu.ru/ (дата обращения 24.07.2013).

4. Историко-технический музей Санкт-Петербургского государственного технического университета [Электронный ресурс]. URL: http://www. museum.ru/M236 (дата обращения 24.07. 2013).

5. Museums for science education: can we make the difference? The case of the EST / M. Xanthoudaki, B. Tirelli, P. Cerutti, S. Calcagnini // Journal of Science Communication. 2007. Vol. 6, Issue 2.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИТУАЦИОННЫХ ЗАДАЧ ПО ХИМИИ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

THE USING OF THE SITUATIONAL CHEMISTRY TASKS IN THE EDUCATIONAL PROCESS

Н. В. Жулькова

Приведена сравнительная характеристика ситуационных и традиционных химических задач по следующим признакам: триединая дидактическая цель, классификация, методический подход, размещение в учебном процессе, приведены примеры задач каждого типа. Также приведены рекомендации по составлению ситуационных задач.

Ключевые слова: ситуационные задачи по химии, познавательный интерес, универсальные учебные действия.

N. V. Zhulkova

The comparative characteristic of the situational and the traditional chemistry tasks adduces in the following signs: the triune didactic purpose, the classification, the methodical approach, placing in the educational process and examples of the each type of the task. It also provides the recommendations for the compilation of situational tasks.

Keywords: the situational chemistry tasks, the cognitive interest, the universal educational activities.

Федеральный государственный стандарт второго поколения предусматривает формирование у обучающихся не только предметных знаний, но и системы универсальных учебных действий, а также развитие школьников через организацию личностно значимой деятельности. Выпускник школы должен осознавать важность образования и самообразования, уметь применять предметные знания в нестандартных жизненных ситуациях [1]. Задача современного учителя - научить школьников самостоятельно приобретать знания.

Учебный предмет «Химия» способствует развитию у школьников способности осуществлять универсальные учебные действия: наблюдать, описывать, различать, характеризовать, сравнивать, структурировать, делать выводы и умозаключения, определять, обобщать и ограничивать понятия. Для работы в данном направлении большим дидактическим потенциалом обладает использование на уроке химии ситуационных задач. Это методический прием, включающий совокупность условий, направленных на решение практически значимой ситуации с целью формирования компонентов содержания школь-

ного образования. Сравним ситуационные задачи с традиционными химическими задачами (см. таблицу).

При регулярном использовании ситуационных задач на уроках химии у старшеклассников формируются следующие универсальные учебные действия: поиск необходимой информации в различных источниках, анализ этой информации, применение предметных знаний в нестандартных жизненных ситуациях, умение дискутировать, отстаивать свою точку зрения, уважать мнение других, ведение исследовательской работы, публичная защита исследовательского проекта. Также учащиеся начинают лучше понимать связь химии с повседневной жизнью человека.

Маркером сформированности данных общеучебных действий является умение учащегося самостоятельно составлять ситуационные задачи по теме урока. Существуют определенные критерии подбора материала для составления ситуационных задач:

• Ситуационная задача должна быть сформулирована в виде рассказа.

• Для ситуационной задачи необходимо брать темы, которые привлекают внимание школьников. Задача долж-