··· VII Московский марафон учебных предметов. День физики ···

Г.Г.НИКИФОРОВ (ИСМО РАО),
О.А.ПОВАЛЯЕВ, фирма СНАРК, г. Москва

Современный кабинет физики: новые возможности для обучения

Под современным понимается кабинет физики, поставляемый в школы в рамках приоритетного национального проекта «Образование». Демонстрационное оборудование такого кабинета можно условно разделить на две компоненты – аналоговую и компьютерно-цифровую серии «L-микро». В последнюю входят демонстрационные комплекты, которые обеспечивают измерения с использованием компьютерного измерительного блока и датчиков различного типа. В школы сейчас повсеместно внедряются также фронтальные комплекты серии «L-микро», что позволяет продолжить перестройку методики фронтального эксперимента, которую много лет назад начал Е.С.Объедков на базе своей микролаборатории.

1. Фронтальный эксперимент

Самостоятельному учебному эксперименту всегда уделялось самое пристальное внимание. До начала перестройки системы образования, принятия стандарта и изменения концепции физического образования ведущей была методика фронтального эксперимента и физического практикума, поскольку эти формы самостоятельного эксперимента были нормативно-обязательными. Однако, несмотря на достаточно полно разработанные виды, функции и формы проведения таких занятий, передовые педагогические идеи в массовой педагогической практике не могли реализоваться. Всё дело в том, что фронтальное оборудование строилось по «приборному» принципу: класс-комплект содержал более 1800 экземпляров различных приборов и 120 наименований оборудования. При подготовке каждого фронтального эксперимента учитель был обязан сам составлять соответствующий комплект оборудования, что не позволяло проводить лабораторные работы, в которых проб лемы мог бы ставить ученик. Вот почему практически единственной формой фронтального эксперимента в массовой практике стали одночасовые тематические работы, инструкции к которым обычно приводятся в учебниках, входящих в Федеральный перечень.

Разработка, серийное производство и поставка в школы в рамках приоритетного национального проекта «Образование» тематических комплектов фронтального оборудования (рис. 1) создают материально-технические условия для реализации самых современных педагогических технологий и передовых методик. Любой фронтальный эксперимент в оборудованном таким образом кабинете практически не требует времени на предварительную подготовку и может проводиться в любой момент урока – ученики получают весь тематический набор целиком и могут самостоятельно подбирать оборудование в соответствии с целью конкретного эксперимента. Создаются оптимальные условия для организации учебной деятельности в её современной интерпретации.

Рис. 1. Стандартный набор из четырёх тематических комплектов фронтального оборудования (слева направо): по электродинамике, оптике, механике и молекулярной физике

В комплекты включены специально разработанные с целью совершенствования самостоятельного фронтального эксперимента приборы: по механике – электронный секундомер, по молекулярной физике – готовые наборы для изучения газовых законов, набор веществ для плавления; по электродинамике – комбинированный источник питания (и постоянного, и переменного напряжений), что позволяет ставить работы и по переменному току (рис. 2). В набор по оптике входит специально разработанный и не имеющий аналогов светодиодный осветитель серии «L-микро», позволяющий измерять длину световой волны по дифракционному спектру: на экране одновременно наблюдаются красный, синий и белый спектры.

«Комплектный» принцип формирования лабораторного оборудования отвечает требованиям технологии обучения физике на основе метода естественнонаучного познания, включённого в соответствии с требованиями стандарта во все учебники, входящие в Федеральный перечень.

В чём суть педагогической технологии естественнонаучного исследования в отношении фронтального эксперимента? Поясним это на примере исследования Г.Галилеем равноускоренного движения: он предположил, что скорость пропорциональна времени, но способов доказательства этого предположения у него не было. Тогда он получил (вывел) следствие: путь пропорционален квадрату времени (рис. 3), – доказал его экспериментально и сделал вывод о справедливости исходного предположения.

Рис. 3. Путь при равноускоренном движении пропорционален квадрату времени – это площадь треугольника под кривой (t)

В качестве примера применения метода Галилея обратимся к лабораторной работе «Исследование движения тела, брошенного горизонтально». Традиционно в этой работе измеряют лишь скорость ₀ этого тела, предполагая, что 1) х = ₀ t; 2) у =

Мы предлагаем в начале исследования проверить следствие из (1) и (2): у ~ х² , т.е. Н ~ L², – а уже затем измерять скорость (рис. 4). Можно ещё более усилить исследовательский подход: сразу предложить ученикам выдвинуть гипотезу о связи Н и L (наиболее вероятны: 1) Н ~ L; 2) Н ~ L²; 3) L ~ Н ²).

Рис. 4. При традиционном подходе измеряют только ₀, а в соответствии с методом научного познания необходимо выдвинуть гипотезу и получить следствие, справедливость которого уже и проверить на опыте

2. Демонстрационный эксперимент

• Все функции, которые возлагаются на демонстрационный эксперимент (обеспечивать в соответствии с научным методом познания наблюдение явлений, формирование понятий, измерение физических величин, установление функциональных зависимостей, исследование процессов, экспериментальную проверку физических законов, гипотез и теоретических выводов), могут быть реализованы при оптимальном сочетании цифровых средств измерения и компьютерных измерительных систем с классическими. Это как раз и обеспечивают комплекты демонстрационного оборудования серии «L-микро». Их эргономической основой является классная доска – именно на ней собираются демонстрационные установки по механике поступательного движения, электродинамике, геометрической оптике и квантовой физике.

Подчеркнём, что демонстрационное оборудование серии «L-микро» – единственное в отечественном учебном приборостроении, которое полностью интегрируется с интерактивной доской (i -доской). На i -доске можно не только отображать информацию, полученную на компьютерном измерительном блоке, но и управлять демонстрационной установкой в интерактивном режиме, чем достигается полнота наблюдения изучаемых явлений. Примеры демонстрационных установок представлены на рис. 5–9, установка для наблюдения броуновского движения с использованием микроскопа и цифровой камеры описана на с. 19–21. На рис. 10 показан разработанный В.В.Майером (ГГПИ, г. Глазов, Удмуртская Республика) комплект для исследования свойств электромагнитных волн, который в этом году начал выпускать серийно НПО «Компьютер-Линк».

Рис. 5. Обычная и интерактивная доски в кабинете физики Удельнинской гимназии. На обычной доске собрана демонстрационная цепь переменного тока и дана её схема, на i-доске представлены осциллограммы, полученные в ходе исследования с использованием двухканального осциллографа

Рис. 6. Демонстрация явления электромагнитной индукции при падении магнита сквозь катушку и осциллограмма наводимой в ней ЭДС, полученная с помощью цифрового осциллографа

Рис. 7. Комплект по волновой оптике с графопроектором в качестве источника света

Рис. 8. График плавления, автоматически вычерчиваемый на экране или на i-доске компьютерной измерительной системой (см. статью А.В.Новикова в № 15/08. – Ред.)

Рис. 9. Установка для демонстрации явления интерференции и наблюдаемая на экране картина

Рис. 10. Комплект для исследования свойств электромагнитных волн (разработка В.В.Майера)

• Новое оборудование позволяет полностью реализовать систему экспериментов, необходимых при формировании понятий и введении физических величин. В качестве примера рассмотрим эксперимент, сопровождающий введение понятия ускорения: в соответствии с формулой необходимо измерить мгновенную скорость в два последовательных момента момента времени t₁ и t₂, вычислить интервал между ними t, а затем ускорение.

К доске магнитными держателями (рис. 11) крепится направляющая, по которой на магнитной подушке может скользить платформа с парой стержней, разнесённых на l = 0,05 м. На этой же направляющей на некотором расстоянии L друг от друга (на фото L = 0,5 м) закреплена пара оптических ворот. Проезжая мимо каждого фотоэлемента, пара стержней инициирует соответственно два сигнала, которые отображаются на экране компьютера. Верхнее число на экране показывает ₁ – время между прохождением первого и второго стержней через первые оптические ворота, нижнее – время ₂ между прохождением этих же стержней через вторые ворота. Число, расположенное в центре, показывает время (t₂ – t₁). Интервалы ₁ и ₂ позволяют вычислить мгновенные скорости в точках, в данном случае с координатами 30 см и 80 см: ₁ = l/₁ и ₂ = l/₂. Поскольку l постоянно, а скорость возрастает, то ₂ < ₁. Ускорение движения каретки

Рис. 11. Комплект демонстрационного оборудования для измерения ускорения (вверху) и экран с отображаемой в режиме реального времени цифровой информацией и диаграммой с временными «засечками» (справа)

• На пути активизации учебной деятельности при работе с новым оборудованием возникает сложная педагогическая проблема: каков должен быть минимальный уровень ознакомления учащихся с новыми измерительными технологиями? Наш опыт показывает, что в подготовке учащихся к активному восприятию демонстрационного эксперимента достаточно использовать принцип параллельных измерений. Основная задача учителя – убедить учеников, что цифровые средства измерений дают достоверные результаты. Для этого одна и та же величина одновременно измеряется цифровым (компьютерным) способом и обычным, известным учащимся. Другой вариант – совместное использование компьютерных измерительных систем и «классических демонстраций». Например, сначала демонстрируется качественный опыт с взаимодействием тележек и только потом – такой же опыт с использованием компьютерной измерительной системы и с выводом результатов измерений на экран (рис. 12).

Рис. 12. Опыты c взаимодействием тележек – обычный (а) и с помощью оборудования «L-микро» (б), а также временная диаграмма взаимодействия, полученная с использованием компьютерной измерительной системы (в)

Демонстрационный эксперимент благодаря использованию компьютера как средства измерения стал количественным. Поэтому его целесообразно сопровождать математической обработкой результатов, и оптимальное средство для этого – электронный эмулятор научного калькулятора (рис. 13). Наш опыт показывает, что ученики вполне готовы к восприятию новой техники и новой информационно-технологической среды, тем более, что и дома они пользуются современными средствами измерения.

Рис. 13. Электронный эмулятор калькулятора на i-доске, с помощью которого учитель может проводить расчёты, сопровождающие качественные демонстрации, которые он проводит с помощью оборудования серии «L-микро»

• Принципиальное значение для демонстрационного эксперимента имеет проблема наглядности. Роль зрительно воспринимаемого объекта почти нивелируется, если воспринимаемая информация не помогает проверить возникающие (или уже возникшие, созданные учеником) варианты, способы исследования. Демонстрационная установка должна позволять показывать, что будет происходить, если изменить её параметры, характеристики и т.д. И современное оборудование, как это ни парадоксально, удовлетворяет принципу наглядности часто в большей мере, чем классическое. Например, при введении понятия ускорения учитель не только ставит проблему: что будет, если сблизить оптодатчики (см. выше), – но имеет возможность и обсудить её, и повторить опыт в изменённой ситуации. Например, при демонстрации колебательного контура (рис. 14) можно измерить период, сравнить результат с расчётом по формуле Томсона, поставить вопрос: что будет, если заменить конденсатор или удалить сердечник; обсудить варианты ответов и проверить (!) их.

Рис. 14. Схема колебательного контура (вверху) и осциллограмма затухающих колебаний в нём (внизу)

Другой пример – механические колебания. Компьютерная измерительная система позволяет измерить амплитуду колебаний с интервалом в один период (режим сканирования осциллограммы) и выявить закономерность убывания амплитуды. На рис. 15 показана осциллограмма затухающих колебаний маятника. компьютерная измерительная система позволяет поставить задачу: выявить закономерность убывания амплитуды, поскольку амплитуда колебаний измеряется с заданным интервалом.

Рис. 15. Механический маятник и осциллограмма его колебаний. Показаны временные метки и цифровые значения параметров

Например, в момент времени 5,0 с амплитуда 80°, а в момент 6,1 с – уже 73°. Как показывает наш опыт, выдвигаются гипотезы, наиболее вероятные из которых базируются лишь на самых простых функциях, известных учащимся из курса алгебры и начал анализа, например: 1) амплитуда убывает обратно пропорционально времени: Х_n = A₁/(nT); (A₁ – начальная амплитуда, nT – время, прошедшее от начала колебаний); 2) амплитуда убывает линейно с течением времени Х_n = A₁ – b (nT) (b – характеристика затухания). Ни одна из гипотез, выдвинутых учащимися, не подтверждается результатами измерений. Учитель предлагает проверить закон геометрической прогрессии: X_n+1/ X_n = q. Именно этот закон и соответствует экспериментальным данным. Далее можно показать связь этого закона со свойствами показательной функции.

• Новое оборудование, поступающее в школы в рамках приоритетного национального проекта «Образование», позволяет перейти от проблемных опытов, достаточно разработанных в отечественной методике, к педагогической технологии совместных исследований ученика и учителя: учитель работает с демонстрационным оборудованием, ученики – с фронтальным. (Подробнее об этой технологии см. статью Н.В.Андреевой на с. 22–23.) Например, комплект по механике включает в себя цифровой секундомер – и во фронтальном комплекте по механике он также есть (рис. 16). Ученики выясняют, сохраняется ли механическая энергия при движении бруска по наклонной плоскости. Оказывается, что нет. А что будет, если брусок будет двигаться без трения? Получить ответ на этот вопрос из фронтального опыта ученики не могут. Демонстрационная же установка (см. рис. 12), обеспечивает движение каретки именно почти без трения. Возникает совершенно необычная ситуация: учитель проводит демонстрационный опыт, в котором проверяется гипотеза, выдвинутая учениками.

Рис. 16. Учащиеся исследуют преобразование энергии при скольжении бруска по наклонной плоскости

Иногда необходимость совместных исследований диктуется особенностями демонстрационного оборудования. Например, отсутствие стрелочного гальванометра, который снят с производства, не позволяет учителю продемонстрировать зависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного потока. Во фронтальном же оборудовании имеется миллиамперметр с нулём в центре шкалы, и объяснение вопроса о направлении индукционного тока с необходимостью сопровождается фронтальной лабораторной работой.