Формирование исследовательских навыков в лабораторном практикуме по физике с использованием информационных технологий

УДК 378.147.88 Белобородова Марина Евгеньевна

старший преподаватель кафедры общенаучных дисциплин

Березниковского филиала

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

Юдина Мадина Гальмутдиновна

доцент кафедры технологии и механизации производств

Березниковского филиала

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

ФОРМИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ НАВЫКОВ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО ФИЗИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Beloborodova Marina Evgenyevna

Senior Lecturer, General Sciences Department, Berezniki branch of Perm National Research Polytechnic University

Yudina Madina Galmutdinovna

Assistant Professor, Manufacturing Technology and Mechanization Department, Berezniki branch of Perm Research Technical Institute

FORMATION OF RESEARCH SKILLS IN THE CONTEXT OF PHYSICS LABORATORY PRACTICUM WITH APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGIES

Аннотация:

В статье рассматривается интегрированный подход к формированию начальных исследовательских умений и навыков у студентов технических специальностей на основе применения лабораторного практикума по физике. Определены особенности такой формы обучения студентов, как лабораторный практикум. В качестве инструментального средства для обработки данных были выбраны электронные таблицы MS Excel, основным достоинством которых является возможность мгновенного перерасчета результатов во всех формулах при изменении исходных данных. Авторы приходят к выводу, что для успешного осуществления выпускниками исследовательской деятельности в будущем необходимо привлекать студентов к научно-исследовательской деятельности в процессе обучения.

Ключевые слова:

профессиональные компетенции, исследовательская деятельность, лабораторный практикум, лабораторная работа, эксперимент, технические измерения, инструментальные средства, исследовательские умения и навыки, MS Excel, интегрированный подход.

Summary:

The article deals with the integrated approach to development of elementary research skills and abilities of students majoring in engineering on the basis of laboratory practicum on physics. The features of laboratory practicum as a form of students' training are described. As a tool for data processing the author has chosen the MS Excel spreadsheet, the main advantage of which is the possibility to recalculate instantly the results in all the formulas when changing the initial data. The authors conclude that in order to provide future successful researches of graduates, it is necessary to involve the students in research activities in the course of study.

Keywords:

professional competence, research activities, laboratory practicum, laboratory work, experiment, engineering measurement, instrumental aids, research skills and abilities, MS Excel, integrated approach.

Социально-экономические условия развития российского общества предъявляют высокие требования к подготовке специалиста любого уровня. Современный специалист должен владеть системой фундаментальных и специальных знаний, навыками решения профессиональных задач, быть готовым постоянно повышать свою квалификацию, осваивать новые сферы и направления деятельности, используя свой интеллектуальный и творческий потенциал.

Анализ основных видов профессиональной деятельности, которыми должен овладеть бакалавр многих технических специальностей в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, показал, что одним из направлений, позволяющих решать профессиональные задачи специалиста, является исследовательская деятельность. Она включает в себя:

- проведение экспериментов по заданным методикам, обработку и анализ результатов;

- проведение технических измерений, составление описаний проводимых исследований [1].

Выполнение данных задач выпускником вуза в профессиональной деятельности будет

успешным, если он приобретет навыки исследовательской деятельности во время обучения.

В связи с особенностями профессиональной деятельности инженеров возникает необходимость в разработке подхода к обучению, основанного на исследовательском методе обучения, учитывающем межпредметные связи и интеграцию предметного и профессионального содержания.

В основе нашей методики лежит связь предметного содержания физики (выполнение лабораторного практикума), информационных технологий (использование прикладных программных средств) и компетентностного подхода в рамках профессиональной деятельности.

На начальном этапе подготовки инженеров технических специальностей элементы начальной исследовательской деятельности могут быть сформированы при изучении дисциплины «Физика», а именно при выполнении студентами лабораторного практикума.

«Физика» является дисциплиной естественно-математического цикла и обеспечивает базовую подготовку для успешного усвоения общетехнических дисциплин, а также формирования профессиональных компетенций, в число которых входит и исследовательская деятельность.

Одной из форм обучения студентов навыкам исследовательской деятельности является лабораторный практикум, особенности которого следующие:

- практикум проводится регулярно в течение всего времени обучения физике;

- на практикуме студенты знакомятся с методами научного физического исследования;

- содержание практикума позволяет экспериментально проверить многие теоретические положения, рассматриваемые на лекциях и практических занятиях;

- при выполнении практикума вместе с работами, выполняемыми студентами репродук-тивно, существует возможность включать элементы исследования или выполнять исследовательские работы.

Для формирования у студентов навыков исследовательской деятельности были определены две задачи:

1) подобрать лабораторные работы практикума, соответствующие направлению подготовки студентов;

2) выбрать прикладные программные средства, обеспечивающие автоматическую обработку результатов вычислений, а также построение и анализ графиков.

Для выполнения первой задачи был выбран комплекс лабораторных работ по механике, на установках которого можно изучать и исследовать физические закономерности. Практикум включает в себя 12 лабораторных работ. Каждая работа содержит обязательную часть для выполнения и часть, в которой присутствуют элементы исследования.

В качестве инструментального средства для обработки данных лабораторного практикума выбраны электронные таблицы MS Excel, представляющие собой эквивалент обычных таблиц, в ячейках которых записаны данные различных типов (текст, числа, дата, формулы). Основное достоинство электронных таблиц - возможность мгновенного перерасчета результатов во всех формулах при изменении исходных данных. Кроме этого, они позволяют проводить однотипные расчеты над большими наборами данных, строить и редактировать графики и диаграммы, определять уравнение аппроксимирующей функции на координатную плоскость графика, находить из графиков искомые величины и оценивать их погрешности.

В качестве примера работы, включающей в себя элементы учебного исследования, выбрана лабораторная работа «Изучение закона динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека». В работе исследуется основой закон динамики вращательного движения, согласно которому угловое ускорение s вращающегося тела пропорционально моменту силы М относительно неподвижной оси вращения и обратно пропорционально моменту инерции тела J относительно той же оси [2].

Порядок проведения лабораторной работы состоит из нескольких этапов.

На первом этапе с помощью лабораторной установки выполняют прямые измерения: радиус барабана г, высота подъема груза h и время падения груза t на лабораторный стол. Экспериментальные данные заносят в основную расчетную таблицу (в таблицу MS Excel), с помощью которой автоматически определяют значения момента силы и углового ускорения шкива (рис. 1).

На втором этапе на основании полученных результатов расчета строят график зависимости s(M), определяют линию тренда (линия тренда - это линия, аппроксимирующая приведенную на графике зависимость) и получают линейное уравнение данной зависимости.

Д в С I D Е F G н 1 J к L | M N О | P

1 Маятник Обербека

2 3 4

/= 12,5 см т 0,0915 кг m 2= 0,056 кг m 3- 0,0973 кг 0,6 M

г= 0,0175 м "г m t+m 2~ m j+m 3= m +m a=

5 6 7 8 Э 10 11 № 0,0915 0,1475 0,1888 0,2448

£i,с £ 2, С ta,c 14, С

1 11,9 9,3 8,1 7,2

2 12 9,4 8,1 7,2

3 11,9 9,3 8,1 7,2

4 11,9 9,3 8,1 7,2

t1сред. = £ 2 сред. = £ 3 сред. ^ 4 сред.

12 11,925 9,325 ;:.i 7,2

13 М j=m jgr= M Гг.'1 г+т м3=fm j+m 3)gr= j+m г+т iigr=

14 0,01569 0,02530 0,03238 0,04198

15 2h S2 = 2 h 2 h 2 h

4 tf3

16 0,48220 0,78858 1,04514 1,32275

17

Рисунок 1 - Основная расчетная таблица

По полученной зависимости (уравнению) с помощью средства Подбор параметра программы МБ Бхое! определяют экспериментальный момент силы трения как точку пересечения графика (линии тренда) с осью «абсцисс» (рис. 2).

Рисунок 2 - Определение экспериментального момента силы

На третьем этапе по графику (линии тренда) определяют среднее значение момента инерции маятника как угловой коэффициент прямой и рассчитывают теоретическое значение момента силы трения. Полученный результат сравнивается с экспериментальным значением момента силы трения для определения абсолютной погрешности измерений.

Применение электронных таблиц MS Excel дает возможность ускорить процесс обработки результатов измерений и освобождает время для анализа полученных результатов с целью более полного понимания физических закономерностей и явлений, исследуемых в лабораторной работе.

В рамках рассматриваемых компетенций применение интегрированного подхода к выполнению физического практикума формирует у студентов умения и навыки исследовательской деятельности, которые позволяют:

- овладеть способами получения и применения теоретических и практических знаний;

- овладеть методикой проведения экспериментов;

- использовать информационные технологии для обработки результатов измерений;

- развить творческое мышление и стремление к познанию;

- развить умение организовать и планировать свою деятельность;

- стимулировать самообразование и саморазвитие;

- воспитывать ответственность, целеустремленность, волю, смелость в преодолении трудностей.

Следует отметить, что процесс подготовки будущих специалистов к исследовательской работе должен быть последовательным, междисциплинарным, представлен в разнообразных формах учебных занятий, что заложит основу для развития интереса к этому виду профессиональной деятельности.

Процесс подготовки будущих специалистов к исследовательской работе во время обучения в вузе будет результативным при условии вовлечения студентов в различные формы научно-исследовательской деятельности.

Ссылки:

1. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование», квалификация (степень) «бакалавр» [Электронный ресурс]. URL: http://xn--80abucjiibhv9a.xn--p1 ai/%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1 %83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1 %82%D1 <^/1964 (дата обращения: 12.05.2015).

2. Механика. Молекулярная физика и термодинамика : учеб. пособие по выполнению лабораторных работ / С.Ю. Гуре-вич, Ю.В. Волегов, Е.В. Голубев, Е.Л. Шахин. Челябинск, 2008. 98 с.