Эксперимент

Лабораторный физический практикум на базе ноутбука

В нашей школе проходит апробацию инновационный проект «Практикум» в варианте, когда на каждом рабочем месте имеется ноутбук, включённый по Wi-Fi-соединению в сети – школьную и интернет. Весьма распространённые в настоящее время виртуальные компьютерные практикумы – не более чем интерактивный мультфильм. Нажатие кнопок на клавиатуре не имеет никакого отношения к реальному физическому эксперименту, а часто просто вводит учащихся в заблуждение относительно настоящей экспериментальной деятельности.

Мы исходим из необходимости разработать практикум без виртуальных лабораторий. Практикум, в котором компьютер является не только средством хранения, обработки, оформления и передачи данных, а и средством измерения реальных параметров, т.е. универсальным цифровым прибором, который в режиме реального времени измеряет самые разные физические величины, заменяя традиционные секундомеры, вольт­метры, амперметры, термометры, манометры и т.д., да ещё и обрабатывает данные.

В модели нашего практикума решаются две проблемы. Первая – отрабатывается методика использования компьютера, когда исходная информация не эмулируется компьютерными программами, а поступает в компьютер через измерительный блок (аналого-цифровой преобразователь – АЦП) от реальных датчиков в ходе «живого» эксперимента. Вторая – выясняется роль и место компьютера во всей дидактической инфраструктуре практикума – от предварительной подготовки к работам и входного контроля учащихся через формирование общеучебных умений (построение графиков, оценка погрешностей и т.д.) к итоговому контролю и оценке.

Эти вопросы очень важны, т.к. при итоговой аттестации в форме ЕГЭ они предъявляются ученику в «бумажном» виде, а в «ЕГЭ-лабораториях», используемых в технологии проверки экспериментальных умений, есть только аналоговые и цифровые средства измерения, без компьютеров.

Основные этапы практикума

С 1 сентября 2009 г. в школе проводится инновационный эксперимент по комплексному использованию мини-ноутбука учащимися. При этом принципиально меняется структура учебного процесса. Происходит переход на безбумажную технологию: вместо всех учебников, задачников, библиотеки, видеотеки, фонотеки, измерительных приборов, рабочей тетради, дневника и т.д. каждый ученик пользуется только персональным мини-ноутбуком, который через публичную точку доступа подключён к Wi-Fi-сети. Проведение каждой работы практикума разбито на двенадцать этапов, не равнозначных по времени и значимости. В некоторых работах компьютер может не использоваться на всех этапах, однако его дидактическая функция сохраняется всегда.

1-й этап. Предварительная подготовка учащегося к работе – ознакомление с содержанием лабораторной работы через интернет. В меню школьного сайта «Учебная работа» выложены ознакомительные версии работ физпрактикума, включающие только теорию вопроса и методику проведения эксперимента, а также план-график выполнения работ. Зайти на сайт можно и с домашнего компьютера, и с компьютера в школьной библиотеке, и с личного ноутбука в классе.

2-й этап. Входное тестирование – проводит учитель на уроке. Из электронной папки на учительском компьютере ученики перекачивают по сети тест, отвечают на него и отправляют обратно в компьютер учителя. Оценка за входной тест учитывается при итоговой оценке работы. Однако к работе допускаются все ученики, в том числе и не прошедшие тестирование.

3-й этап. Доступ к лабораторной работе – каждому открывает учитель (на этапе апробации все учащиеся выполняли одну и ту же работу, в дальнейшем будут выполняться различные работы «Практикума»). Учащиеся перекачивают на свои персональные компьютеры папку с лабораторной работой, которая кроме ознакомительной интернет-версии включает презентацию со сборкой установки и анимацией процесса измерения, заготовкой электронных таблиц для программирования расчётных формул и формул для расчёта погрешности эксперимента, активно используя три основные программы стандартного пакета Microsoft Office: Word, PowerPoint и Excel.

4-й этап. Ознакомление с теорией вопроса, методикой эксперимента и ходом выполнения работы, если этого не произошло на 1-м этапе, т.к. именно эта часть работы выставлена на сайте школы для предварительной подготовки.

5-й этап. Программирование формул в электронных таблицах Excel для обработки результатов эксперимента и расчёта погрешностей, которые берутся из описания работы в редакторе Word. Учащиеся могут проверить правильность формул на контрольном примере, который имеется в исходном листе Excel.

6-й этап. Сборка установки по PowerPoint-презентации, где последовательно показаны этапы сборки экспериментальной установки и (в режиме анимации) пошаговая последовательность проведения исследования. Подключение, если это требуется, компьютера к датчикам через измерительный блок.

7-й этап. Проведение эксперимента. Некомпьютерные результаты измерений вручную заносятся в подготовленные электронные таблицы. Компьютерная часть эксперимента начинается с проверки работоспособности собранной установки, для чего загружается программный комплекс «L-микро» и в соответствующем разделе программы проверяется реакция компьютера на информацию, поступающую с датчиков. Далее последовательно выполняются шаги эксперимента, при этом полученные данные сохраняются в специальных файлах временного хранения. В случае непредвиденных ошибок определённые шаги могут быть повторены, а данные во временных файлах заменены.

8-й этап. Занесение данных после окончания эксперимента из файлов временного хранения в соответствующие ячейки электронных таблиц, где они автоматически обрабатываются по запрограммированным формулам. Вывод результатов эксперимента и погрешностей измерений позволяет на том же листе сделать вывод о достижении цели работы.

9-й этап. Построение графического отображения полученных зависимостей с помощью мастера диаграмм Excel, если это предусмотрено в методике работы, на том же листе электронных таблиц, где находятся расчётные таблицы.

10-й этап. Отправка заполненного листа электронной таблицы в электронный портфель учителя, который знакомится с данными эксперимента и в случае удовлетворительных результатов открывает доступ к разделу выходного контроля.

11-й этап. Ответы на вопросы и отправка результатов в портфель учителя.

12-й этап. Получение оценок за выполнение лабораторного практикума (2 ч) – учитель ставит оценки тем, чьи результаты измерений и вычисления погрешностей эксперимента его удовлетворяют, свидетельствуя о высоком уровне сформированности умений. Оценка выставляется на том же листе, где представлены результаты эксперимента, и на интерактивной доске. Остальные учащиеся проходят дополнительный устный контроль.

Пример работ по механике

Базовая схема измерительной установки приведена на рисунке. Здесь, как и во всех работах проекта «Практикум», оптимально сочетаются аналоговые и компьютерные средства измерения: равнодействующая сил, действующих на каретку, измеряется с помощью динамометра, а промежутки времени – с использованием компьютера.

Способ измерения с помощью динамометра равнодействующей силы, которая действует на каретку, равномерно движущуюся по наклонной плоскости, и нахождения по ней силы трения изложен в учебнике для 7-го класса «Физика в собственных исследованиях» (УМК под редакцией В.Г.Разумовского и В.А.Орлова). Наши десятиклассники обучались в 7–9-м классах именно по этому УМК.

Для нахождения мгновенных скоростей и ускорений используются четыре герконовых датчика, установленных вдоль траектории движения каретки и фиксирующих моменты прохождения флажка каретки перед датчиками. Разность этих моментов даёт три интервала времени ∆t₁, ∆t₂, ∆t₃. Программный пакет «L-микро» выдаёт все три интервала на экран монитора. Этих данных оказывается достаточно для проведения целой серии работ по механике, охватывающих широкий диапазон понятий, явлений и законов. Например:

1) исследование изменения полной механической энергии при движении тела по наклонной плоскости^*;

2) сравнение импульса равнодействующей силы с изменением импульса каретки при её скольжении по наклонной плоскости;

3) проверка гипотезы: «Пусть при скольжении каретки по наклонной плоскости её скорость в точке с координатой x₁ равна υ₁, а в точке с координатой x₂ равна υ₂. Подтвердит ли эксперимент предположение о том, что в точке х = (x₁ + x₂)/2 скорость каретки равна (υ₁ + υ₁)/2?»;

4) проверка гипотезы: «Пусть при скольжении каретки по наклонной плоскости её скорость в точке с координатой x₁ равна υ₁, а в точке с координатой x₂ равна υ₂. Время движения между точками равно t₀. Подтвердит ли эксперимент предположение о том, что в точке х = (x₁ + x₂)/2 каретка окажется в момент времени t = t₀/2?»;

5) исследование зависимости пути от времени при скольжении каретки по наклонной плоскости.

Умения эффективно формируются, если деятельность, реализуемая при выполнении экспериментального задания, адекватна этим умениям. Это диктует нам отбор содержания экспериментальных заданий и форму их предъявления, что и иллюстрирует приведённый выше список работ практикума.

Исследования 1 и 2 – это, по сути, экспериментальные задачи на применение фундаментальных законов. Работы 3 и 4 формируют умения проверять гипотезы. Важно, что в этих заданиях ученики встречаются с гипотезами, которые не выполняются. Как показало исследование ФИПИ, только 10% учащихся могут справиться с необычной ситуацией, возникающей при этом. Задание 5 направлено на исследование эмпирических закономерностей и обучение построению графиков по результатам эксперимента. Здесь, как показывают результаты Раменско-Подольского исследования ФИПИ по технологии диагностики экспериментальных умений, возникают большие проблемы. Компьютерные технологии позволяют ученикам сравнить график, построенный ими «вручную», с графиком, построенным компьютером на основе метода наименьших квадратов. Именно этот метод (хотя мы и не знакомим учеников с ним) лежит в основе методического правила: стройте график так, чтобы вокруг проводимой кривой располагалось с разных сторон одинаковое число точек.

Рассмотрим подробно методику проведения исследования на примере лабораторной работы № 1 «Исследование изменения полной механической энергии при движении тела по накло нной плоскости» (уровень А). После того как ученик прошёл входной тест и скачал папку со своей лабораторной работой из компьютера учителя, он открывает файл с инструкцией по выполнению работы.

 

Лабораторная работа № 1

«Исследование изменения полной механической энергии при движении тела по наклонной плоскости»

Бригада ___________________

Цель работы: проверить действие фундаментального закона природы – закона сохранения полной механической энергии.

I. Оборудование. Штатив, направляющая, лента из плотной бумаги длиной 1 м, согласованной по ширине с шириной направляющей, каретка, динамометр, система герконовых датчиков, компьютерная измерительная система, ноутбук.

II. Изменение полной механической энергии тела

Изменение полной механической энергии тела ∆Е легко количественно рассчитать при движении тела по наклонной плоскости. Это изменение равно работе A_тр, которую совершают силы трения F_тр при движении тела на отрезке l: ∆Е = A_тр= F_тр l.

Полная энергия тела в точке 1 равна Е(1), в точке 2 равна Е(2). Их разность равна работе силы трения:

Проведя эксперимент, мы можем определить изменение полной энергии тела двумя способами:

1) рассчитав изменение кинетической и потенциальной энергии тела; 2) рассчитав работу силы трения. Интервалы погрешностей, найденные по результатам эксперимента, дадут нам возможность сделать вывод о том, можно ли при данной точности измерений считать изменение полной энергии тела на данном участке пути равным работе силы трения.

III. Измеряемые величины

Если с помощью динамометра равномерно спускать каретку по плоскости, то равнодействующая сила равна F₁ = mg sinα – F_тр. если же с помощью динамометра каретку равномерно поднимать, то равнодействующая сила равна F₂ = mg sinα + F_тр, где F₁ и F₂ – показания динамометра при движении соответственно вниз и вверх. Следовательно, F₁ + F_тр = F₂ – F_тр, откуда находим

Изменение кинетической энергии определим, измерив мгновенные скорости движения каретки по наклонной плоскости в начальной 1 и конечной 2 точках отрезка пути, на котором мы рассчитываем работу силы трения:

Для определения скоростей используем датчики времени и компьютерную программу «L-микро».

Измеряемыми величинами в нашем эксперименте являются F₁, F₂, l, ∆t₁, ∆t₂ (интервал времени ∆t₃ в данной работе не требуется), s, m, h, где:

F₁ – показание динамометра при равномерном движении каретки вниз;

F₂ – показание динамометра при равномерном движении каретки вверх;

l – отрезок наклонной плоскости, на котором определяется работа силы трения;

∆t₁ – интервал времени при расчёте мгновенной скорости в точке 1;

∆t₂ – интервал времени при расчёте мгновенной скорости в точке 2;

s – расстояние между датчиками при расчёте мгновенной скорости;

m – масса каретки;

h – разность уровней в точках 1 и 2.

Величины ∆t₁ и ∆t₂ переносятся в таблицу эксперимента через временные файлы для хранения данных, остальные данные вводятся вручную.

Формулы (1), (2), (3) и (4) программируются в соответствующих ячейках таблицы эксперимента. Прямые погрешности измеряемых величин заносятся в соответствующие ячейки таблицы эксперимента, где уже подготовлены формулы погрешностей. По введённым данным будут рассчитаны интервалы погрешностей для ∆E, найденной двумя способами.

IV. Порядок выполнения работы и способы измерения величин

1. Запрограммируйте формулы в электронной таблице обработки результатов измерений. Проверьте на контрольном примере правильность введённых выражений.

2. Введите абсолютные погрешности измеряемых величин в соответствующие ячейки таблицы эксперимента.

3. Ознакомьтесь с презентацией лабораторной работы и соберите установку, показанную на рисунке. Подключите измерительный блок к компьютеру через USB-порт. Разъём герконовых датчиков подключите к входному разъёму 1 компьютерного измерительного блока.

4. Проведите измерение равнодействующих сил F₁ и F₂ и занесите результаты в таблицу эксперимента.

5. Измерьте величины l, s, m, h и введите их в соответствующие ячейки таблицы.

6. Загрузите программу «L-микро», войдите в раздел «Механика» (рис. 1), выберите сценарий «Динамика поступательного движения – движение тела по наклонной плоскости с трением» (рис. 2).

7. Перейдите к проведению эксперимента (рис. 3): нажмите клавишу «Пуск» и отпустите каретку. На экране вы получите диаграмму, аналогичную представленной на рис. 4.

8. Нажмите кнопку «Архив». В открывшемся окне нажмите левой кнопкой мыши на файл с номером 1: измеренные вами интервалы времени сохранятся в файле временного хранения 1. Закройте файл и повторите п. 7, занесите данные в файл с номером 2 и т.д. После каждого измерения данные автоматически переносятся в таблицу.

9. Повторите измерение интервалов времени 5 раз, каждый раз сохраняя данные в новом временном файле. Если по каким-то причинам полученные данные вызывают у вас сомнение, не заносите их в файл временного хранения, а если уже занесли, то повторите измерение и новые данные занесите повторно в тот же файл, чтобы заменить сомнительные данные.

10. После окончания измерений войдите в файл с таблицей эксперимента. В соответствующих ячейках будут располагаться значения ∆E = E₂ – E₁ и A_тр, а также абсолютные погрешности их измерения.

11. В открытом файле электронных таблиц нарисуйте числовую ось, отложите значения ∆E и A_тр и постройте интервалы их погрешностей.

12. Сделайте вывод об изменении полной механической энергии тела.

13. Отправьте работу в электронную папку учителя и ожидайте контрольных вопросов.

В качестве заданий второго уровня (задания В) можно предложить следующие.

Вариант 1. Рассчитайте, на каком расстоянии b каретка должна остановиться. Проверьте расчёт на опыте.

Вариант 2. Докажите, пользуясь законом об изменении механической энергии, что при движении из состояния покоя с вершины наклонной плоскости коэффициент трения

Оцените µ на основе этой формулы с учётом случайной погрешности при оценке b. Проверьте свою оценку измерением на основе соотношения μ = F_тр / F_давл.

Один из ожидаемых способов обоснования варианта 1 исследования может быть следующим. Для кинетической энергии в точке А ученики запишут:

Здесь F_тр1 – сила трения при движении по наклонной плоскости. Для точки В можно записать:

где F_тр2 – сила трения при движении по горизонтальному участку.

Следствием этих равенств будет соотношение:

Отсюда ученики оценят b, измерив предварительно F_тр1 и F_тр2. Им необходимо ещё догадаться, как обеспечить плавный переход в точке А. Подсказкой может послужить включённая в состав оборудования бумажная лента.

Ожидаемое обоснование выполнения задания варианта 2 может быть таким: mgН = F_тр1 L + F_тр2 b′. Силы трения F_тр1 = µ mg cosα, F_тр2= µmg. Подставив эти значения в уравнение и учтя, что L cosα = О ′А, ученик может получить соотношение

В рамках инновационного проекта «Практикум» мы ставим задачу определить оптимальную систему использования компьютера при проведении экспериментальных исследований и добиться осознания учащимися адекватной методу научного познания роли компьютера в современном научном эксперименте.

 

Игорь Сергеевич Царьков окончил физико-технический факультет Московского горного института в 1977 г., в 1984 г. – аспирантуру Московского геолого-разведочного института по кафедре «Ядерно-физические методы анализа вещества». В 1985 г. защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата технических наук. С 2001 г. работает в МОУ СОШ № 29 г. Подольска учителем физики и астрономии. Имеет звание «Лучший работник общего образования 2008 г.». Создал в школе № 29 г. Подольска не имеющую аналога в России компьютеризированную обсерваторию.

Павел Николаевич Чеботарёв окончил с отличием подольскую школу № 29 в 2006 г. Сейчас учится в МЭИ (ТУ) и преподаёт в родной школе курс информационных и интернет-технологий, разрабатывает методики для компьютерного физического практикума, занимается созданием, продвижением и оптимизацией веб-сайтов, разработкой веб-интерфейсов, юзабилити, дизайном и многим другим.

---

^* Работа предложена Андреевой Н.В.