Портфолио

Учебно-исследовательские работы школьников: конкурс РОСТ-2009

Ученическая исследовательская деятельность становится всё более актуальной. Если 5–10 лет назад большинство российских школьников планировали в будущем заниматься экономикой, менеджментом, юриспруденцией и т. д., то сейчас ситуация хотя и медленно, но начинает меняться. По крайней мере часть школьников, в основном старшеклассников, стремится к настоящей науке и под руководством учителей и молодых учёных делает первые шаги в исследованиях по физике, химии, биологии и т. д. С результатами своих исследований они выступают на научных конференциях школьников и молодых учёных, и многие уже осознанно выбирают будущие профессии, связанные с научной деятельностью.

Хочу обратить внимание читателей, что таких ребят немного. Много в этом плане подпортил ЕГЭ. Дело в том, что до введения ЕГЭ во многих вузах практиковалась защита учебно-исследовательских проектов, разработанных одиннадцатиклассниками под руководством учёных. Успешная защита этой работы означала отличную отметку по данному предмету при поступлении в данный вуз. В результате вуз набирал себе талантливых студентов. Но с приходом ЕГЭ учебно-исследовательскими работами стало заниматься значительно меньше школьников. Что греха таить, ведь некоторые занимались исследованиями в вузах лишь для того, чтобы поступить в эти вузы. Казалось, научным дерзаниям школьников конец.

Но, к счастью, этого не случилось. Количество школьников, которые занимались исследованиями под руководством учителей, практически не сократилось. И это здорово! Ведь этими ребятами руководит не корысть (например, поступление в вуз), а настоящий интерес. К сожалению, в России государство практически отстранилось от этого направления творческого развития школьников, если не считать отдельных одноразовых акций вроде недавнего «Прорыва».

На Западе развитию научного и инженерного творчества учащейся молодёжи уделяется намного больше внимания. Например, в США в штате Невада, согласно закону штата, каждый (!) школьник должен в течение года сделать и защитить учебно-исследовательскую работу (см. мою статью [1]). Так что, уважаемые коллеги, деваться нам некуда, практически вся учебно-исследовательская деятельность школьников ложится на нас, учителей.

Я занимаюсь этой работой не один десяток лет, и поверьте, что это очень нелёгкая работа. Самое трудное, пожалуй, найти тему, которая будет интересна для ученика и посильна для учителя, чтобы он мог помочь ученику в процессе исследований. Большую помощь в выборе тем могут оказать различные научные конференции. Я, например, много идей привожу своим ученикам с конференций «Учебный эксперимент», которые ежегодно проводит проф. В.В. Майер в Глазовском пединституте.

После завершения учебно-исследовательской работы мои ученики выступают с их защитой на городском конкурсе «Старт в науку». Победители и призёры этого конкурса участвуют в конкурсах более высокого уровня. Школьникам Нижегородской области в этом плане повезло. В октябре под эгидой фирмы Intel (США) третий год проводится областной инновационный конкурс для молодых учёных, инженеров, студентов и школьников «РОСТ» (Россия-Ответственность-Стратегия-Творчество). В феврале в Федеральном ядерном центре в г. Сарове также ежегодно проводятся международные Харитоновские чтения и, наконец, в апреле – Российские чтения-конкурс имени С.Я. Каплана. Кроме того, мои ученики в разные годы участвовали в конкурсах, проводимых в Москве, Королёве, Санкт-Петербурге, Апатитах, Ярославле и т. д. В этом учебном году они участвовали в двух конкурсах – РОСТ и ЮКИ.

Остановлюсь на конкурсе РОСТ, состоявшемся 25 октября 2009 г. в Нижнем Новгороде. На нём были представлены 26 работ. В нашей команде были 9 школьников 10-го класса с шестью работами.

10-классница Антонина Торопкина выступила с работой «Разработка генератора электромагнитных волн и его использование на уроках физики для изучения свойств электромагнитных волн». В процессе работы над темой она собрала генератор электромагнитных колебаний частотой 430 МГц. Это официально разрешённая частота для любительской радиосвязи и физических экспериментов. За основу был взят генератор ультравысокой частоты, предложенный В.В. Майером [2, 3]. На фото видно, как светится люминесцентная лампа, помещённая в электромагнитное поле УВЧ-генератора.

Были разработаны также приборы для изучения на уроках физики явлений отражения, преломления, дифракции, интерференции и поляризации электромагнитных волн данного диапазона. Получив, например, стоячую волну в двухпроводной линии, с помощью лампы накаливания и неоновой лампы можно определять расположение узлов и пучностей в стоячей волне. Но самым эффектным в её коллекции экспериментов с электромагнитными волнами является опыт с длинной люминесцентной лампой, связанной с двухпроводной линией (идея В.В. Майера). В этом опыте с помощью обычной школьной линейки определяется длина волны в воздухе, газах и жидкостях, и по формуле с = λυ вычисляется скорость электромагнитной волны.

Для исследования свойств электромагнитных волн Антонина собрала транзисторный приёмо-передающий комплект, который позволяет также демонстрировать и беспроводную передачу энергии на расстояние (вспомним Н. Теслу!). На фотографии видны передатчик (справа) и приёмник (слева). К выходу приёмника подключён маломощный электродвигатель. Для лучшей видимости на его ось насажен цветной диск.

Михаил Балашов и Дарья Никитина нашли в Интернете сообщение о том, что в прошлом году японские учёные предложили в ближайшем будущем выполнить первую посадку бумажного самолёта с Международной космической станции (МКС). Тестовые испытания модели из специальной бумаги, состав которой не разглашается, прошли успешно. Исследователи намерены попросить японского астронавта отправить на Землю с МКС бумажную модель длиной 200 мм.

В связи с этим ребята решили исследовать анизотропию бумаги. Так появилась тема учебно-исследовательской работы «Космическое материаловедение». В процессе исследований оказалось, что механические свойства бумаги сильно зависят от направления её волокон. На фото видно, что полоска, вырезаная поперёк волокон, прогибается сильнее, чем вырезаная вдоль волокон. Так же полоски реагируют на изгиб: при одинаковой нагрузке (ребята положили на них одинаковые флэшки) у вырезанной поперёк волокон деформация меньше.

Очень впечатляющими оказались эксперименты на сжатие бумаги. Оказалось, что цилиндр, склеенный из бумаги с поперечным расположением волокон, выдерживает максимальную нагрузку около 700 г, а с продольным – до 5 кг. Потом они показали «смертельный номер» – встали оба на блок из 16 цилиндров, и он их выдержал! Вот такие исследования, несложные, но интересные, можно провести, используя в качестве материала обыкновенную бумагу – от бумаги из школьной тетради до сортов плотностью 200 г/м².

Татьяна Стрига и Лилия Грязнова заинтересовались вопросом, связанным с действием молний на транспортные средства – автомобили, самолёты, корабли и т. п. Так появилась тема «Защита транспортных средств от атмосферного электричества».

Известно, что все транспортные средства сделаны из металла и практически представляют собой клетки Фарадея. А раз так, то, на первый взгляд, вопрос исчерпан. Никакая молния пассажирам не страшна! Это общепринятая точка зрения. А теперь я напомню знаменитый ответ Эйнштейна на вопрос «Как делаются великие открытия?»: «Все знают, что что-то сделать невозможно. А один профан этого не знает и делает!»

Так вот, на самом деле оказалось не всё так просто. У всех транспортных средств есть окна, иллюминаторы и т. д. И девочки решили исследовать электрическое поле внутри металлической модели автомобиля, поместив датчик около окна. В качестве датчика электрического поля они использовали полевой транзистор, напряжение со стока которого подавалось на мультиметр или АЦП ПК. Источником «молнии» была электрофорная машина. И вот что оказалось. Напряжённость электрического поля в салоне автомобиля недалеко от окна оказалась порядка 1 кВ/см! А это уже серьёзно. Чтобы с пассажирами не случились неприятности, девочки рекомендуют делать стёкла с металлической плёнкой, которая обязательно должна соединяться с корпусом автомобиля.

Нина Полякова представила работу «Термочувствительные материалы и их применение». А появилась эта работа так. Очень часто мы не замечаем удивительных свойств вещей, которые нас окружают. Если, например, взять обычный кассовый чек и провести по нему с усилием металлическим предметом, например, монетой, то на бумаге мы практически не увидим следа. Но если взять обыкновенную пластиковую шариковую ручку и тыльным концом (без шарика) провести по этому чеку, то на нём останется жирный след.

Оказывается, бумага, на которой печатаются чеки, термочувствительна. При нагревании до 80 °С она начинает темнеть. Когда мы проводим по термобумаге каким-либо предметом, то совершаем механическую работу. Практически вся эта работа идёт на увеличение внутренней энергии соприкасающихся тел. Но т. к. металл обладает большой теплопроводностью, то практически всё выделяющееся тепло быстро уходит в него, бумага не успевает нагреться и, следовательно, не чернеет. Другое дело, когда по такой бумаге мы проведём пластиком. Пластик практически не проводит тепло, вся выделяющаяся энергия пойдёт на нагревание термобумаги, и она почернеет.

Хотя этот занимательный опыт больше похож на фокус, тем не менее я его демонстрирую учащимся при изучении изменения внутренней энергии тел при совершении над телом механической работы.

Исследуя строение и свойства термобумаги, Нина разработала ряд экспериментов для уроков физики:

• «Воздушное огниво» без применения эфира или спирта. В корпус огнива вставляется небольшой кусочек термобумаги, которая при нажатии поршня нагревается и чернеет. Опыт проводится несколько раз, появляется раздаточный материал для учащихся.
• Демонстрация нагревания в области искрового разряда: между кондукторами электрофорной машины помещают термобумагу, которая чернеет вблизи области искрового разряда, давая его своеобразную «фотографию».
• Демонстрация токов Фуко: металл, помещённый в область вихревого электрического поля нагревается. Нина предложила сделать диск из алюминиевой фольги и наклеить на него термобумагу. Получился довольно эффектный опыт – в переменном магнитном поле «плавает» диск, а бумага на нём постепенно чернеет. Этот опыт удобно показывать с помощью документ-камеры или плоского наклонного зеркала.

Нина предложила также ряд практических применений термобумаги, например, в качестве термодатчиков на производстве и терморегистраторов в компьютерных системах пожаробезопасности и пожаротушения.

Тема исследований Лилии Храпуновой – разработка универсальных датчиков для измерения различных физических величин, подключаемых к цифровым лабораториям. Основная цель – разработать дешёвые универсальные датчики, которые можно подключать без всяких переделок к любым цифровым лабораториям: «Архимед» на базе специализированного ПК «NOVA 5000», «Fourier», разработанной автором «ШКФЛ-2» и микроЭВМ «Аrduino» и «Freeduino». К примеру, разработанный ею датчик напряжения стоимостью около 20 руб. с успехом заменяет штатный датчик напряжения для цифровой лаборатории «Архимед» стоимостью порядка 150 долл. К тому же его точность намного выше фирменного.

Но основная цель её работы заключается в разработке таких датчиков к цифровым лабораториям, которые не выпускаются зарубежными фирмами, – резистивных, ёмкостных и индуктивных. Резистивный датчик включает в себя измерительную головку, в которой может находиться переменный резистор, тензорезистор, фоторезистор, терморезистор или магниторезистор. Измерительная головка подключается к преобразователю сопротивление–напряжение, собранному на операционном усилителе. С этого преобразователя напряжение, пропорциональное сопротивлению резистора, подаётся на АЦП цифровой лаборатории и далее на ПК. С его помощью, используя переменный резистор и тензорезистор, можно измерять расстояния, силу, массу тел, различные виды деформаций тел, исследовать колебательные движения математического, пружинного и крутильного маятников. Если использовать фоторезистор, терморезистор и магниторезистор, то можно измерять освещённость, температуру, относительную влажность воздуха, индукцию магнитного поля и т. д.

Датчик ёмкости, разработанный Лилией, позволяет измерять ёмкость конденсаторов, относительную диэлектрическую проницаемость диэлектриков, исследовать зависимость ёмкости конденсаторов от его параметров. Его можно использовать в схемах охранной сигнализации, индикаторов уровня непроводящих жидкостей, измерения скорости движения и расхода жидкости и газов в топливопроводах, даже таких глобальных, как «Южный поток», «Голубой поток» и т. д. Конструктивно сам датчик представляет собой обыкновенный конденсатор, который подключается к преобразователю ёмкость–напряжение. С его выхода напряжение, пропорциональное ёмкости конденсатора, подаётся на АЦП и далее на ПК.

Датчик индуктивности на базе катушки индуктивности позволяет исследовать зависимость индуктивности от параметров исследуемой катушки, измерять относительную магнитную проницаемость диа-, пара- и ферромагнетиков. Этот датчик можно использовать для измерения практически всех величин, которые измеряются с помощью резистивных и ёмкостных датчиков. Схема преобразователя индуктивность–напряжение аналогична схеме преобразователя ёмкостного датчика.

Сейчас часть школьников продолжают начатую работу, а часть начала заниматься другими исследованиями. Например, Дарья Никитина заинтересовалась видеоанализом механических колебательных процессов, Михаил Балашов – униполярными двигателями, Никита Жаднов решил создать электромагнитный лифт в космос. К ним начинают примыкать одноклассники, и в настоящее время в творческом коллективе уже более половины учеников класса.

Две наши девушки, Антонина Торопкина и Лилия Храпунова, вошли в число победителей конкурса РОСТ и в мае 2010 г. полетят в г. Сан-Хосе (США) в качестве участников международного конкурса школьников Intel ISEF-2010. Там они вместе с Анастасией Шайкиной из Нижнего Новгорода будут защищать проект «Влияние метеорологических условий на распространение радиоволн метрового и дециметрового диапазонов».

Фото из архивов автора

Литература

1. Пигалицын Л.В. Международный конкурс научных работ школьников // Физика-ПС. 2009. № 19. С. 24–25. (Изд. дом «1 сентября».)
2. Майер В.В., Чирков А.Е., Чирков Л.Е. Демонстрация электромагнитной волны в различных средах // Учебная физика. 2003. № 5.
3. Майер В.В. Физические свойства электромагнитных волн // Физика-ПС. 2009. № 18. С. 43–47. (Изд. дом «1 сентября».)

Шестикратный соросовский учитель Лев Васильевич Пигалицын и его команда