В летних физико-математических лагерях

Лучший отдых – это смена деятельности!

Наступает время летних физико-математических лагерей. В нашей области каждое лето их несколько:

• лагерь областного департамента образования для победителей олимпиад «Лазурный»;

• летняя международная астрономическая школа «Интеллектуал» Поволжского центра аэрокосмического образования (ПоЦАКО);

• физико-математический лагерь Института прикладной физики РАН «Талалуш-кино»;

• летняя физико-математическая школа (ЛФМШ) ИПФ РАН «Варнавино».

Я несколько лет работал преподавателем дополнительного образования в таких лагерях и могу расскзать, как занимаются там наукой и учебно-исследовательской работой учащиеся. Подробности, связанные с организацией быта и отдыха я, естественно, опускаю.

Главная проблема – разумное сочетание занятий наукой и отдыхом. Это довольно трудная задача, т.к. учёные и преподаватели дополнительного образования «тянут одеяло на себя», а вожатые и массовики-затейники – на себя. Но всегда находится какой-нибудь компромисс. В плане занятий наукой у каждого ученика должен быть определённый выбор, т.к. научные и учебно-исследовательские занятия в лагере делятся на:

• обязательные для каждого учащегося – лекции, семинары, олимпиады, исследовательская экспериментальная или теоретическая работа под руководством учёного или преподавателя дополнительного образования;

• факультативные – кружки по выбору, интеллектуальные игры, самостоятельные исследования.

Расскажу, как была организована в прошлом годжу смена в ЛФМШ «Варнавино».

ЛЕКЦИИ

Лекции являются очень важной составляющей научной работы в лагере. Они могут сильно отличаться друг от друга по типу, тематике, научному уровню. В связи с этим отличается и методика подготовки к лекции, и само чтение лекции учёным или преподавателем. В связи с тем, что часть ребят наверняка свяжет свою жизнь с наукой, часть лекций посвящается введению в специальность – экспериментальную физику. Эти лекции читают учёные нижегородских НИИ и вузов. Читают они, безусловно, на высоком научном уровне, но часто возникает проблема доступности материала для учащихся. Дело в том, что лекции нередко читаются по тем разделам физики, которые дети ещё не изучали в школе. В связи с этим накануне лекции желательно ознакомить ребят с этими разделами.

Идеальный вариант – лекцию читают двое: учёный и учитель, который комментирует отдельные аспекты на понятном ученикам языке школьной физики – «переводит» с русского на русский. Очень удачный тандем был у меня с чл.-кор. РАН доктором геолого-минералогических наук И.Н.Толстихиным в летней школе «Интеллектуал». Другой вариант – после лекции (вечером) учитель объясняет желающим непонятные моменты, связанные с материалом лекции. Вот перечень некоторых лекций по физике: «Фемтосекундные световые импульсы» (проф. А.А.Бабин), «Прогулка по шкале температур» (проф. В.Ф.Вдовин), «Радуга» (проф. А.И.Смирнов), «Вибрация в живом организме» (проф. В.А.Антонец), «Антарктическая озоновая дыра» (проф. А.М.Фейгин).

Большой интерес вызывают у учащихся лекции-дискуссии по дополнительным главам школьного курса физики, проводимыми совместно учёным и учителем. В качестве примера можно привести удачную лекцию-дискуссию по теории относительности, проведённую мной и к.ф-м.н. ННГУ Ю.Н.Захаровым. Полезны также обзорные лекции о новейших достижениях в физике, астрофизике и технике, читаемые приезжающими лекторами, преподавателями-руководителями делегаций, сотрудниками ЛФМШ.

Основой же являются лекции по определённым разделам физики и математики, читаемые постоянно присутствующими в лагере учёными и педагогами дополнительного образования. Их тематика должна быть тщательно продумана. В конце каждой лекции слушателям даются 5–6 вопросов по материалу лекции. После цикла лекций проводится семинар или зачёт. В летней школе «Интеллектуал» проводится сдача «научного минимума».

С целью обеспечения владения учащимися математическим аппаратом в достаточном объёме преподаватели, постоянно присутствующие в ЛФМШ, читают лекции и проводят практические занятия по математике. В конце курса проводится экзамен или зачёт с целью определения достигнутого уровня и необходимости продолжения или развития этого курса непосредственно во время учебного года. Так, проф. Д.Т.Чекмарёв (ННГУ) читал «Введение в дифференциальное и интегральное исчисления», а доцент А.А.Князев (СГУ им. Н.Г.Чернышевского) – «Математические методы решения физических задач». Выступали также с лекциями и проводили пресс-конференции лётчики-космонавты А.Серебров, В.Ляхов и наш земляк В.Зудов.

СЕМИНАРЫ

Не менее важной составляющей научной работы учащихся в лагере являются семинары, которые проводятся с целью развития умения выступать перед аудиторией, слушать докладчика, формулировать свои мысли, задавать вопросы, отвечать на них, вести дискуссию. Это не научные семинары, цель которых информировать коллег о полученных результатах, а учебные мероприятия, полезность которых тем выше, чем слабее школьник владеет искусством делать доклад. Тема семинара произвольна. Это не обязательно физика или математика; может быть литература, история, искусство, религия, философия, психология, паранормальные явления, летающие тарелки – всё, что может быть интересно слушателям ЛФМШ.

Семинары проводятся во второй половине дня, после «тихого часа», по графику, составленному в начале лагерной смены. Руководителями семинаров являются учёные и преподаватели дополнительного образования. Несколько лет организатором семинаров в ЛФМШ «Варнавино» являлся доцент
А.А.Князев.

Вот некоторые темы, с которыми выступали слушатели: «Загадочное время», «Создание Web-сайтов», «Влияние геомагнитной активности на озон верхней атмосферы», «Система построения и анализа графиков функций», «Дифференциальные уравнения для физических задач и устойчивость решения», «Генная инженерия растений», «Время и пространство», «Молнии», «Мир галактик и мы среди них», «Метод размерности и подобия в физике», «Полярные сияния», «Сверхпроводимость», «Многоликий углерод», «3D-графика – основные представления», «Портативные летательные средства», «ПРО – Звёздные войны», «Мода», «История Нижегородского театра», «Пушкин и математика».

Кроме этого проводится небольшой обязательный цикл виртуальных лабораторных работ (3–4 работы) с диска «Открытая физика» (под редакцией проф. С.М.Козела, МФТИ).

ОЛИМПИАДЫ

После двух недель лагеря проводятся олимпиады по физике, математике и информатике.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Экспериментальная или теоретическая исследовательская работа проводится под руководством учёного или преподавателя дополнительного образования в НИИИВСЕГО (Научно-исследовательском институте изучения Всего). Привожу выдержки из Положения об этом институте (см. в рамке).

Итак, в каждой лаборатории все ребята распределяются по ВНИКам (по 2–3 человека). Каждый ВНИК имеет куратора из профессорско-преподавательского состава лагеря и тему (по выбору из предложенного списка с учётом наличия соответствующего оборудования и литературы) для исследования, которую публично защищает в конце смены в присутствии компетентного жюри. Тема должна иметь прикладную и практическую направленности. Желательно, чтобы экспериментальная часть работы стыковалась с компьютером через порты СОМ, LPT или GAME, а все полученные результаты обрабатывались и анализировались специально написанной самими учащимися программой. Привожу темы:

• Лаборатория классической механики

– Лабораторные измерения ускорения свободного падения;

– лабораторные изучения связанных колебаний;

– лабораторные измерения количества тепла, выделяемого при ударе бильярдных шаров;

– лабораторное изучение движения по параболе;

– измерение начальной скорости пули пневматического пистолета;

– измерения зависимости силы сопротивления воды от скорости движения байдарки.

• Лаборатория геодезии и картографии

– Лабораторные измерения ширины реки Ветлуги;

– лабораторные измерения высоты откоса;

– лабораторные построения карты местности.

• Лаборатория вычислительной математики

– Лабораторные поиски наибольшего простого числа;

– лабораторные построения функции распределения цифр числа ;

– лабораторные построения функции распределения цифр sqrt (2).

• Лаборатория компьютерного физического эксперимента

– Ввод-вывод информации через порты ПК;

– программирование портов ПК;

– измерение временных интервалов с помощью ПК;

– измерение аналоговых величин с помощью ПК;

– измерение частоты с помощью ПК. Перепрограммирование таймера для измерения высокочастотных колебаний;

– исследование зависимости ёмкости конденсатора от его параметров с помощью ПК;

– измерение частоты, ёмкости и сопротивления с помощью приставок к LPT-порту ПК;

– параллельный программируемый интерфейс для шины ISA ПК;

– программируемый таймер для шины ISA ПК.

Для сборки схем сопряжения физических установок с компьютером имеются паяльники и радиоэлементы (конденсаторы, резисторы, транзисторы, цифровые и аналоговые микросхемы и всевозможные датчики).

• Лаборатория компьютерного моделирования физических процессов

– Моделирование движения тел в гравитационном поле;

– моделирование электрических полей системы зарядов;

– моделирование движения заряженных частиц в электрическом поле;

– моделирование движения заряженных частиц в магнитном поле;

– моделирование движения заряженных частиц в электромагнитном поле;

– flash-анимации физических явлений и процессов.

• Лаборатория голографии

– Совершенствование методов получения голограмм;

– исследование оптических явлений с помощью самодельных голограмм.

Создателем и идейным вдохновителем нашего НИИ является сотрудник ИПФ РАН, директор ЛФМШ Андрей Олегович Перминов (perminov@appl.sci-nnov.ru).

КРУЖКИ

С целью более полного удовлетворения потребностей учащихся в различных видах деятельности, связанных с физикой, математикой, информатикой и астрономией, в лагере работают кружки.

• Физический кружок

– Разгадка «чёрных ящиков» (механических, электрических и оптических). Электрические – это электрические схемы из резисторов, диодов, конденсаторов и катушек индуктивности, собранные в спичечных коробках и заклеенные скотчем. Для исследования их содержимого учащимся выдаются приборы, с помощью которых они могут провести необходимые измерения и снять вольт-амперные и амплитудно-частотные характеристики (www.levpi.narod.ru.pk-wich.htm);

– проверка (для желающих) знаний по всем темам курса физики средней школы по тестам, соответствующим Нижегородскому региональному стандарту по физике. Эти тесты я создал в 1995 г. по заказу Департамента образования и науки Нижегородской области (www.levpi.narod.ru.test-fiz.htm);

– работа с компьютерными физическими курсами и энциклопедиями: «Открытая физика», «Вся физика», «Курс физики 21 века» Л.Я.Боревского, «Физикус», «Уроки физики» компании «Кирилл и Мефодий» и др. А для учебно-исследовательских работ используются виртуальные компьютерные лаборатории, компьютерные физические конструкторы и эмуляторы электронных лабораторий («PhysisLab», «Живая физика», «Crocodile»), механические конструкторы («Ecsamle 3» и «Universal Mechanism Junior»), электронные конструкторы («Сборка», «WorkBench», «LabView») и серия оптических конструкторов.

«Видеозадачник по физике» Казанского госуниверситета в прошлом году использовали так: в конце утренней лагерной планёрки показывали всему лагерю одну видеозадачу из этого сборника, а после «тихого часа» с желающими разбирался и обсуждался этот опыт. В этом году мы планируем проводить видеосъёмки собственных опытов.

• Астрономический кружок

– Изучение и наблюдения небесных тел, астрофотография. Большую помощь оказывают компьютерные энциклопедии («Космос», «RedScift3», «Открытая астрономия», «Энциклопедия Солнечной системы», «Невооружённым глазом» и др.), виртуальная лаборатория Е.И.Бутикова «Движение космических тел». Для изучения планет и других объектов Солнечной системы используются телескопы типа «Мицар» и обычные школьные телескопы.

• Компьютерные кружки

Занятия в компьютерных классах направлены на повышение уровня владения школьников мощным инструментом для проведения научных исследований (программирование, обработка и оформление результатов эксперимента):

– изучение Турбо Паскаля;

– изучение «Delphi»;

– изучение «Macro Media Flash».

Проводятся и другие занятия, способствующие развитию творческих способностей, в том числе и самими учащимися.

ИГРЫ

Большую роль в развитии способности учащихся самостоятельно мыслить, искать вместе с единомышленниками нестандартные пути к решению проблем, критически относиться к полученным результатам, а также поддерживать контакт с аудиторией, выражать свои мысли, отстаивать своё мнение, слушать собеседника, вести дискуссию играют командные игры научного характера. Например, в «Интеллектуале» большой популярностью пользуются такие:

• Институты. Жюри – «Центр аэрокосмических исследований» – готовит задание научным институтам: решить какую-либо проблему. Институты комплектуются из 8–10 учащихся, которые выбирают директора, тот формирует состав научных работников – профессоров, доцентов, лаборантов и т.д. Институт готовит пресс-релиз, в котором рассказывает о своих достижениях, материальной базе и научных кадрах. Центр выдаёт задания, по которым институты готовят свой проект. Проект разрабатывается и защищается в присутствии жюри. Примеры заданий: «Проект научно-производственной базы на Луне», «Поиск жизни в системе планеты Юпитер».

• Научный минимум. По прочитанным лекциям и лабораторным работам составляются 100 вопросов, которые раздаются накануне вечером. Каждый участник читает вопросы и анализирует, на какие вопросы он знает ответ, а на какие – нет. В день игры все учащиеся сдают в жюри листки с номерами вопросов, на которые они знают ответ (минимум 3). Игра проводится публично. Члены жюри задают каждому участнику в разбивку по 3 вопроса из заявленных им. Если участник отвечает на все, он остаётся в игре, если нет – выбывает. На последнем этапе выявляется победитель. Игра может проводиться в рамках командного и индивидуального зачётов.

• Звёздный час. Формируются две команды по семь человек и две команды поддержки тоже по семь человек. Жюри даёт основным участникам и группе поддержки по листочку с тремя вопросами и по чистому листку, на котором каждый должен написать за 1 мин ответы и сдать в жюри. Трое с самыми плохими результатами из каждой команды выбывают. Во второй раз выбывают ещё по трое, так что остаётся два участника для борьбы за победу. Вопросы могут быть по прочитанным лекциям и материалу, который будет нужен для выполнения лабораторных работ. Игра покажет, по каким проблемам нужны дополнительные лекции и консультации.

• Конкурс юных конструкторов-исследователей Формируются две команды по пять человек. Жюри демонстрирует всем разобранный на детали, отслуживший свой срок бытовой прибор (пылесос, стиральную машину, холодильник, телефон и т.п.). Из деталей надо создать несколько конструкций, которые можно использовать в повседневной жизни, быту, в школе или на производстве. На разработку конструкций даётся несколько часов. Потом происходит публичная защита проектов.

Основные цели конкурса: формирование открытой развивающей среды, способствующей развитию интеллектуального и творческого потенциала учащихся, умения работать в коллективе, работать с разноплановой информацией, вести дискуссию, организовывать проектную деятельность с социально значимой целью; выявление и поддержка подростков, имеющих склонность к конструкторской и научно-исследовательской деятельности; развитие экологической культуры; создание условий для ранней профессиональной самоориентации.

Разработкой и внедрением этих командных игр занимается к.п.н., директор ПоЦАКО Изабелла Юдимовна Порус. Материалы можно найти на сайте http://www.aerospaceedu.sandy.ru/index.htm.

БИБЛИОТЕКА

В летнем лагере должна быть компактная, но достаточная полная научная библиотека, содержащая учебные пособия, журналы типа «Квант», «Радио», физическую энциклопедию, справочники по физике, астрономии, информатике и радиоэлектронике, сборники олимпиадных задач и т.д. В бумажном виде в настоящее время сделать это довольно сложно, поэтому библиотека в ЛФМШ «Варнавино» практически полностью стала электронной с большим количеством школьных учебников по математике и по физике (в том числе с трёхтомником Г.С.Ландсберга), задачников, олимпиадных сборников, подборками журналов «Квант» и «Радио» за несколько десятков лет.

На базе библиотеки проводятся беседы и диспуты по различным вопросам, как физики, математики, астрономии и информатики, так и литературы, истории, психологии, философии, религии и т.д., проводимые библиотекарем и сотрудниками ЛФМШ с целью расширения кругозора слушателей и умения вести дискуссии.

Так что же может дать школьнику физико-математический  или астрофизический лагерь? А вот что. Раннее профессиональное самоопределение, подготовка к проведению самостоятельных научных исследований и участию в разработке научно-исследовательских проектов совместно с учёными-кураторами в области математики, физики, информатики, астрономии, радиофизики, аэрокосмического мониторинга. Углубление полученных ранее знаний, применение их на практике (деятельностное усвоение материала), развитие умений и навыков, необходимых при защите научной работы (умение вести диспут, выражать собственное мнение кратко и точно, анализировать уровень собственных знаний). Большинство участников летней школы или лагеря продолжают заниматься учебно-исследовательскими работами в научных объединениях ИПФРАН, ННГУ, ПоЦАКО, городских и школьных НОУ.

Впоследствии учащиеся успешно выступают со своими работами на конференциях: городских НОУ
(г. Нижний Новгород), «Старт в науку» (г. Дзержинск), российских чтениях-конкурсах памяти С.А.Каплана, российском конкурсе «Космос» (г. Королёв) и др.

Лев Васильевич Пигалицын, учитель физики и астрономии, заслуженный учитель РСФСР и РФ, пятикратный Соросовский учитель, отличник просвещения РСФСР и СССР, учитель высшей квалификационной категории. Окончил физфак Горьковского ГПИ в 1961 г. и четыре года работал учителем всех предметов естественно-математического цикла в Загваздинской средней школе Усть-Ишимского района Омской области. С 1965 г. преподаёт физику и астрономию в школе № 2 г. Дзержинска. Серьёзно «заболев» радиоэлектроникой и фотографией, ещё в 9-м классе собрал трёхдиапазонный супергетеродин, а в 10-м –12-канальный телевизор. Этой «болезнью» пытается «заразить» и своих учеников. Всю внеклассную работу проводит в рамках КЮФа – клуба юных физиков, – который с 1966 по 1990 гг. всегда занимал первые места на городских радиовыставках и выставках детского технического творчества. В настоящее время работают секции физики, астрофизики и компьютерной радиоэлектроники. В 1980 г. к 50-летию города члены клуба создали школьный телецентр – первую в городе кабельную систему телевидения на базе видеомагнитофонов «Электроника-502» и «Электроника-508». Этот телецентр был удостоен бронзовой медали ВДНХ СССР. С 1985 г., когда в СССР был введён предмет «Информатика», его начал вести и Лев Васильевич, – работали на программируемых калькуляторах МК-54, на ПК «Микроша», «Корветах», сейчас – на IBM (от ХТ до Pentium IV, языки программирования QB-4,5, TP-7, Delphi). В 1989 г. был создан авторский класс с углублённым изучением физики и вычислительной техники, который успешно функционирует до сих пор. В нём вместо информатики дети изучают новый предмет «Вычислительная техника и моделирование физических процессов на ЭВМ» (см. авторский сайт www.levpi.narod.ru), пишут программы моделирования физических процессов, собирают несложные электронные приставки к компьютеру для ввода в ПК информации от физических приборов. Его ученики неоднократно были победителями областных, зональных, российских, всесоюзных и международных олимпиад по физике, астрономии и информатике. В 1990 г. Лев Васильевич стал победителем областного конкурса «Учитель года» и вошёл в десятку лучших учителей России. В 2004 г. награждён медалью ордена «За заслуги перед Отечеством II степени». В этом же году редакция журнала «Директор школы» и издательская фирма «Первое сентября» наградили  его  дипломом   победителя  конкурса  авторских   материалов  2004  г. В 2005 г. на  городском конкурсе «Профи-2005» был удостоен гран-при и получил звание «Педагог, зажигающий звёзды». Лев Васильевич не представляет жизни без школы. Самыми большими своими недостатками считает, что: 1) до сих пор не удалось повзрослеть; 2) совпали по жизни работа и хобби, и выбраться из этого прекрасного «рабства» вряд ли удастся до конца жизни. В этом, наверное, и заключается учительское счастье.