А.Б.ФЕДЯНИН,
ГОУ лицей № 1523 при МИФИ, СОЧШ «Наследник», г. Москва

anbf@bk.ru

Учебные модели для образной демонстрации изучаемых абстрактных явлений

(Работа была представлена научно-технической ассоциацией школьников ГОУ «Лицей № 1523» при МИФИ на выставке «Московское образование» весной 2007 г.)

Наглядная демонстрация является весьма эффективным инструментом, позволяющим представить учебный материал в форме наиболее доступной для понимания и эффективного усвоения. Это связано с физиологическими особенностями организма, а также с психологией восприятия зрительных образов, и в наибольшей степени проявляется в тех областях научных знаний, где приходится оперировать понятиями и объектами, недоступными для зрительного восприятия. К ним можно отнести элементы микромира (атомы и молекулы), силовые линии магнитного или электрического полей, вектора сил и т.д. Образная информация о поведении таких объектов, как правило, связана у учащихся с графиками, схемами и рисунками. Дальнейшее же трансформирование этих образов в единую картину для многих учеников представляется трудной задачей, что связано с индивидуальными особенностями восприятия и типом мышления.

Облегчить задачу могут учебно-демонстрационные установки, позволяющие моделировать и наглядно демонстрировать различные процессы и явления. Уровень понимания во многом зависит от модельного образа, мысленно создаваемого учащимися в соответствии с собственными представлениями. Существенную помощь при этом способна оказать модельная демонстрация процессов.

В связи с этим одним из направлений работы научно-технической ассоциации школьников, созданной на базе физико-математического лицея № 1523 при МИФИ и СОЧШ «Наследник», были исследования, направленные на разработку и изготовление ряда специальных лабораторно-демонстрационных установок, способных через создание визуальных образов или тактильных ощущений формировать в сознании учащихся необходимые модельные понятия для наиболее точного представления об абстрактных явлениях или же поведении воображаемых объектов. Эта работа проводилась в тесном сотрудничестве с кафедрами, лабораториями и подразделениями МИФИ. Участие сотрудников института и ведущих специалистов, таких как В.В.Светозаров, оказавших неоценимую помощь в идейном и научном руководстве работой школьных творческих групп, привело к успешной реализации задуманных проектов. В результате были созданы учебно-демонстрационные установки, с успехом применяющиеся в образовательном процессе при изучении ряда разделов соответствующих дисциплин.

1. Учебное пособие для демонстрации теплового движения молекул газа, а также ряда параметров газовых законов (давления как суммарного импульса от ударов движущихся молекул, а также соотношения величин давления и объёма).

Модель представляет собой катушку индуктивности с расположенным в её центре блоком в виде камеры с подвижной перегородкой, разделяющей объём на две части. В одну часть помещаются магнитные элементы, которые при подаче на катушку напряжения моделируют поведение молекул различной массы. Камера прозрачна, что позволяет наблюдать за поведением «молекул», а также демонстрировать изображение модельного процесса на большой экран при помощи стандартного кодоскопа. Напряжение подаётся от регулируемого источника питания, в качестве которого может быть использован лабораторный автотрансформатор или электронный регулятор мощности.

Напряжение и ток в катушке индуктивности моделируют рост температуры в реальных условиях. При его повышении магнитные элементы претерпевают всё увеличивающиеся колебания, которые затем при возрастании амплитуды переходят в поступательное движение со всё возрастающей скоростью. Столкновения «молекул» между собой, со стенками камеры и подвижной перегородкой вызывают их хаотическое перемещение по объёму камеры, что моделирует тепловое движение молекул и увеличение его интенсивности с ростом температуры.

2. Физическая модель и компьютерная анимация как комплекс для наглядной демонстрации широкого спектра кинематических и динамических явлений, иллюстрирующих ряд физических законов дополнен компьютером со специальной программой, позволяет сопровождать демонстрацию анимацией с оперативным вычислением количественных характеристик наблюдаемых явлений, а также оценить их изменения и взаимозависимость.

 

Кинематическая модель представляет собой рамку из четырёх металлических штанг, соединённых своими концами в равносторонний подвижный параллелограмм таким образом, что противоположные углы между штангами попарно могут свободно изменяться в пределах от 0 до 180°. К двум противостоящим углам параллелограмма крепятся грузы, а на двух других углах закреплены рукоятки. Конструкция крепления такова, что весь параллелограмм может свободно вращаться вокруг оси, соединяющей узлы крепления двух рукояток. При этом сила, необходимая для сближения грузов, растёт нелинейно, так что свести грузы с помощью рукояток практически невозможно.

Модель, несмотря на свою простоту, позволяет проиллюстрировать явления, связанные с такими закономерностями и понятиями, как второй закон Ньютона (центростремительное ускорение, центробежная сила, инерция тела); момент инерции системы, момент импульса, закон сохранения момента импульса; закон сохранения энергии; работа внешней силы, идущая на изменение механической энергии системы; гироскопический эффект (поворот вращающейся системы вокруг оси вращения); минимум потенциальной энергии системы как условие её стабильного состояния.

Компьютерная анимация существенно расширяет возможности модели как образовательного инструмента, позволяет визуализировать динамические и кинематические характеристики (силы, моменты сил, моменты инерции, линейные и угловые скорости) и количественно их оценить.

3. Лабораторно-демонстрационная установка для изучения силы Ампера. Установка предназначена для эффектной визуальной демонстрации явления электромагнитной индукции и замедления (до 3–4 см/с) падения намагниченного тела внутри трубы из немагнитного металла в результате поглощения его кинетической энергии. Учащиеся могут видеть, что за счёт электромагнитной индукции токи возникают не только в витках провода катушки, но и в монолитном объёме металла. Установка снабжена инсталляционной приставкой, позволяющей измерять силу Ампера в различных системах и изучать её зависимость от скорости перемещения магнита, от материала и геометрической формы проводника. По углу наклона полученных графиков можно судить о материале проводника.

Принцип работы прибора основан на электромагнитном взаимодействии движущегося магнита и неподвижного проводящего тела, выполненного в форме трубы из немагнитного металла. При падении магнита изменяющееся магнитное поле создаёт индуктивные токи в металлических стенках трубы, которые, взаимодействуя с магнитом, препятствуют его свободному падению. Результирующая скорость зависит от величины магнитной индукции и удельного электросопротивления стенок трубы (толщины материала).

Установка также позволяет демонстрировать правило Ленца: увеличение силы противодействия в результате принудительного увеличения скорости магнита, что позволяет гасить (амортизировать) динамические эффекты, возникающие при приложении к подвижному магниту внешних сил.

Система дистанционных датчиков позволяет отслеживать положение магнита при его падении по световой волне на линейке светодиодов.

Механическая система револьверной смены металлических труб позволяет проводить сравнительное изучение взаимодействия магнита с проводниками из различных материалов, а также геометрии проводника, а инсталляционная приставка – производить количественное измерение силы Ампера при различных материале и геометрической форме проводника, а также скорости движения магнита.

В заключение хотелось бы отметить, что апробация описанных установок в учебном процессе доказала, что они эффективны не только при плановом изучении физических дисциплин, но и являются средством повышения мотивации школьников к изучению?физических явлений. Работа же над проектированием и созданием подобных установок сама по себе является для мотивированных групп учащихся серьёзным образовательным фактором, реализующимся на платформе конструкторской и научно-исследовательской работы над соответствующими проектами.

Андрей Борисович Федянин окончил МХТИ им. Д.И.Менделеева и работал в НИИ. В настоящее время доцент МИФИ. Уже 19 лет преподаёт физику в лицее №1523 при МИФИ и руководит научно-исследовательской работой школь­ников. Учитель высшей квалификационной категории, почётный работник общего образования РФ, пятикратный Соросовский учитель, 3-кратный лауреат Гранта Москвы в сфере образования, лауреат премии МДО за подготовку школьников-победителей интеллектуальных соревнований. Имеет благодарность МОиН РФ, награждён медалью «За вклад в развитие образования» (высшая общественная награда за значительные достижения в области развития образования РФ). Автор 66 научных печатных трудов, в том числе учебного и учебно-методического характера. Учащиеся научно-исследовательского объединения, работающие под его руководством, за представленные 132 разработки получили в общем 57 медалей и призов, 419 дипломов и грамот на 76 конференциях, выставках и конкурсах, в том числе международных. По результатам исследовательских работ школьниками опубликованы 65 печатных работ. Среди ребят есть лауреаты премии МДО и премии поддержки талантливой молодёжи, учреждённой указом Президента РФ «О мерах государственной поддержки талантливой молодёжи». После окончания школы все ребята продолжают обучение в вузах по выбранной специальности.