Формирование навыков научноисследовательской работы у студентов-физиков младших курсов средствами практикума

ПРОБЛЕМЫ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

УДК 53: 372.8

ФОРМИРОВАНИЕ НАВЫКОВ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ У СТУДЕНТОВ-ФИЗИКОВ МЛАДШИХ КУРСОВ СРЕДСТВАМИ ПРАКТИКУМА

© 2007 г. И.М. Агибова, О.В. Федина, М.А. Беджанян

To form the researching skills of the students from the first university courses we suggest the practical tasks for the course « Electricity and magnetism ».

Основной задачей университетского образования является подготовка высококвалифицированных специалистов широкого профиля, способных к постоянному творческому поиску, приобретению новых знаний и обладающих навыками научного подхода к решению задач современного производства. Высокий профессионализм человека в той или иной области зависит от того, как сформированы у него исследовательские умения. Однако в психолого-педагогической литературе вопросу формирования таких умений студентов-физиков младших курсов уделяется недостаточное внимание. Практика показывает, что подготовленность большинства старшекурсников, приступающих к научно-исследовательской работе, оставляет желать лучшего. Поэтому формирование исследовательских умений с первых лет обучения является одной из актуальных задач вузовского образования.

Сотрудниками кафедры общей физики было разработано методическое пособие, предназначенное для студентов физико-математических факультетов университетов, соответствующие ГОС ВПО и программе курса общей физики «Электричество и магнетизм». Физический практикум позволяет не только глубже изучить основные физические закономерности, приобрести навыки экспериментирования, но и развить исследовательские умения. Он является введением в дальнейшую самостоятельную работу студентов.

Практикум состоит из 15 лабораторных работ, в каждой из которых описаны цели, идея эксперимента, теоретическая часть, установка, проведение опыта. Несмотря на то что работы имеют традиционные названия, для проведения некоторых из них разработаны новые более точная методика и техническое решение.

Оригинальным является то, что по теме каждой лабораторной работы составлены творческие задания, при разработке которых были использованы идеи, взятые из различной методической и научно-популярной литературы, а также возникшие в результате учебно-исследовательской и научно-исследовательской работы авторов. Основная цель заданий - формирование исследовательских способностей всех студентов младших курсов.

На первых занятиях преподаватель проводит срезы, ведет наблюдения, целью которых является выявление индивидуальных способностей и уровня подготовки студентов. Начиная с третьего или четвертого занятия, он раздает задания с учетом полученной информации.

Студенты выполняют их после сдачи основной части лабораторной работы или в свободное от занятий время в определенные часы. Преподаватель следит за работой, вмешиваясь в процесс только в экстренных случаях (нарушение техники безопасности). Если студенту необходима помощь, он может обратиться к преподавателю или инженеру-лаборанту, о чем заранее предупрежден. На первых порах применения таких заданий консультации необходимо проводить чаще, иначе возникшие трудности приведут к потере интереса у студентов к исследовательской работе. Однако характер подсказок должен быть таким, чтобы задание не потеряло своего творческого содержания. В дальнейшем, когда студенты освоятся с особенностями творческой работы, число консультаций уменьшается, они могут проходить мимоходом, даже на переменах.

Для того чтобы преподавателю было проще организовать работу, формулировка задания имеет три уровня сложности.

Вначале перед студентом ставится только проблема. Всю остальную работу - постановку задачи, разработку эксперимента, подбор оборудования, изготовление элементов установки - обучаемый выполняет самостоятельно. В этом случае он из множества решений может выбрать любое, приводящее к правильному результату, в том числе и не предусмотренное преподавателем. Если студент выбирает неправильное решение, необходимо помочь ему понять свою ошибку и предложить другие пути поиска.

Студенту, не справившемуся с поставленной задачей, предлагается измененная формулировка, которая содержит подсказки. При этом круг поиска решений уменьшается.

Последняя формулировка составлена для студентов, не сумевших выполнить предыдущее задание, она содержит еще больше подсказок, но элементы творчества в ней все же присутствуют.

Например, после выполнения лабораторной работы «Изучение электронного осциллографа» студенты выполняют следующее задание первого уровня сложности:

Разработайте и проведите эксперимент, позволяющий исследовать зависимость периода колебаний пружинного маятника от массы груза, а также определить коэффициент жесткости пружины, чтобы ошибка измерений была минимальной.

Одно из возможных решений: пружинный маятник, массу грузов которого можно легко менять путем

простои замены тел, укреплен в штативе, что позволяет при помощи зажимного винта изменять высоту подъема груза над поверхностью лабораторного стола. Для того чтобы вывести его из положения равновесия, заставив колебаться строго вдоль оси пружины, применяются намагниченные тела (можно использовать стальные шарики, прикрепляя к ним небольших размеров постоянные магниты) и катушка индуктивности без сердечника. Катушку располагают под маятником так, чтобы в состоянии равновесия тело находилось у самого входа в нее. Обмотка катушки при помощи двухпозиционной кнопки К может подключаться либо к источнику постоянного напряжения, либо ко входу «У» электронного осциллографа с выключенной разверткой (рис.1). При нажатии кнопки по обмотке катушки пропускается импульс электрического тока, в результате чего под действием магнитного поля катушки маятник выходит из положения равновесия строго в вертикальном направлении. При отпущенной кнопке К обмотка катушки обесточивается и переключается на осциллограф. ЭДС индукции, наводимая колебаниями намагниченного тела в обмотке катушки, приводит к периодическому смещению светящейся точки на экране осциллографа от положения равновесия с частотой, равной частоте колебаний тела на пружине.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования зависимости периода колебаний пружинного маятника

от массы груза и определения коэффициента жесткости пружины: 1 - электронный осциллограф; 2 - источник постоянного напряжения; 3 - катушка индуктивности; 4 - стопорный винт; 5 - пружинный маятник; К - двухпози-ционная кнопка

Перемещение точки по плоскому экрану уменьшает влияние параллакса, что в значительной степени повышает точность эксперимента.

Если студенты не справляются с поставленной задачей, то условие задания можно упростить, добавив:

Экспериментальная установка представляет собой пружинный маятник, укрепленный в штативе. Придумайте устройство, заставляющее маятник совершать колебания строго вдоль оси пружины, а

при измерении смещения уменьшающее влияние параллакса.

Решение этой задачи сводится к разработке фрагмента экспериментальной установки, что гораздо проще, чем придумать весь эксперимент. Студентам, не сумевшим решить и эту проблему, предлагается третий вариант формулировки задания.

Используя электронный осциллограф, катушку индуктивности, источник постоянного напряжения, исследуйте зависимость периода колебаний предложенного Вам пружинного маятника от массы груза, а также определите коэффициент жесткости пружины.

Теперь студенту предлагаются приборы для проведения эксперимента, это сужает круг поиска решения, что упрощает решение задачи.

Интересными являются задания, в которых используется жидкая намагничивающаяся среда - магнитная жидкость (МЖ). Студенты старших курсов на занятиях по дисциплине специализации «Электричество и магнетизм» изучают различные свойства этой уникальной, широко применяемой в разных областях коллоидной среды. Поэтому необходимо заранее познакомить их с некоторыми ее свойствами. В связи с этим студенты выполняют следующее задание.

Задание I уровня сложности:

Разработайте и проведите эксперимент для исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости МЖ.

Одно из возможных решений: экспериментальная установка состоит из однослойного соленоида со стеклянной трубкой для образца с нагревателем, выполненным на внешней стороне трубки бифилярной намоткой. Для теплоизоляции соленоида используется пористая прослойка из пенопласта. Температура определяется с помощью заранее проградуированной медь-константановой термопары. Эффективная магнитная восприимчивость рассчитывается при сравнении индуктивности «пустого» соленоида и соленоида с образцом при разных температурах магнитной жидкости. Для определения истинной магнитной восприимчивости рассчитывается коэффициент заполняемо-сти катушки [1].

Задание II уровня сложности:

Разработайте и проведите эксперимент для исследования температурной зависимости магнитной восприимчивости МЖ, используя нагреватель, выполненный на внешней стороне трубки бифилярной намоткой, и проградуированную медь-константановую термопару.

Задание III уровня сложности:

Разработайте и проведите 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.

Если невозможно составить формулировку трех уровней сложности, к заданию предлагаются карточки помощи, которые помогают студенту найти нужное решение. Карточка помощи - это карточка с зара-

4

5

нее подготовленным вопросом, схемой, рисунком, формулой и т.д. Карточка постепенно сужает круг поиска, но прямого ответа не дает.

Например:

I. После выполнения лабораторной работы «Определение удельного заряда электрона различными методами» студент выполняет следующее задание:

Определите полюса магнита, имея медный купорос, источник постоянного напряжения, металлические цилиндр и кольцо [2].

Карточки помощи:

1. Изучите темы: электролитическая диссоциация, движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

2. Используйте кольцо и цилиндр в качестве электродов, а насыщенный раствор медного купороса в качестве электролита.

3. Что произойдет с жидкостью, если цилиндр и кольцо соединить с полюсами источника постоянного напряжения так, как показано на рис. 2.

II. После выполнения лабораторной работы «Изучение температурной зависимости сопротивления проводников и полупроводников» студент выполняет следующее задание:

В предложенном Вам полупроводнике определите знак носителей заряда [3].

Карточки помощи:

1. Выполняя лабораторную работу, Вы получили температурную зависимость сопротивления полупроводников. Чем объясняется характер ее поведения?

2. Что произойдет с носителями зарядов, если полупроводник нагреть неравномерно?

3. Определить знак носителей заряда можно, воспользовавшись схемой, изображенной на рис. 3.

III. После выполнения лабораторной работы «Изучение термоэлектронной эмиссии» студенту предлагается следующее задание:

Определите работу выхода электрона с поверхности катода.

Карточки помощи:

1. Прологарифмируйте выражение для плотности тока насыщения:

- W

j н = СТ 2 е ,

ментальные данные, оценивать правильность и достоверность проведённых исследований. Умения, сформированные при выполнении таких заданий, помогают студентам в проведении самостоятельных исследований по дисциплинам специализации, а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

где С - константа; Т - температура катода;

—223

к = 1,38 10 Дж/К; Ш - работа выхода электрона из данного материала.

2. Для измерения температуры катода воспользуйтесь методикой, приведенной в [4] или [5].

3. Получите график зависимости 1п1/ Т 2 от 1/Т , который представляет собой прямую линию, угол наклона ее позволит определить работу выхода электронов с поверхности катода.

Опыт показывает, что организация учебного процесса с элементами научных исследований различной степени сложности способствует формированию у всех студентов творческого подхода к решению экспериментальных задач. Они учатся планировать эксперимент, работать со сложным современным оборудованием, описывать и интерпретировать экспери-Ставропольский государственный университет_

Рис. 2. Экспериментальная установка, позволяющая определить полюса магнита. 1 - полюса магнитов

Рис. 3. Схема для определения знака носителя заряда: 1 - нагреватель; 2 - германиевая пластинка; 3 - стальная пластинка; О - гальванометр

Литература

. Диканский Ю.И. Эффекты взаимодействия частиц

и структурно-кинетические процессы в магнитных коллоидах: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Свердловск, 1999.

. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике

в средней школе. М., 1972.

. Рублев Ю.В., Куценко А.Н., Кортнев А.В. Практи-

кум по электричеству с элементами программированного обучения. М., 1971.

. Иверонова В.И. и др. Физический практикум.

Электричество и оптика. М., 1968.

. Кабардин О.Ф., Орлов В.А. // Физика в школе.

1989. № 5. С. 158-160.

17 августа 2006 г