Аннотация. Описана методика постановки демонстрационного физического эксперимента, предусматривающая проведение точных измерений и их компьютерную обработку с использованием адекватных математических методов (вычислительных, графических, статистических). В демонстрационном эксперименте с компьютерной поддержкой полнее удовлетворяются критерии научности полученного знания, а также становится возможным использовать в качестве основных методы проблемного изложения, исследовательский и эвристический.
Ключевые слова: демонстрационный физический эксперимент, лекционная демонстрация, компьютерная обработка экспериментальных данных.
Одна из характерных особенностей демонстрационного физического эксперимента, не только школьного, но и вузовского, состоит в том, что этот эксперимент является почти исключительно качественным. Так, авторы книги [1], в которой описано более 500 лекционных опытов, указывают на то, что «лекционные демонстрации по физике должны носить по преимуществу качественный характер. Количественные расчеты на основании данных опыта отнимают слишком много времени и внимания слушателей и должны находить свое место не на лекциях, а в лабораторном практикуме. В крайних случаях, когда демонстрация должна носить количественный характер, показания приборов должны быть по возможности выражены целыми числами» [1. С. 14].
На наш взгляд, при наличии компьютера и мультимедийного проектора на уроках изучения нового материала (а также на лекциях в вузе) с успехом может использоваться демонстрационный эксперимент, включающий проведение точных измерений и их обработку с использованием адекватных математических методов (вычислительных, графических, статистических). Компьютерная обработка данных демонстрационного эксперимента и представление его результатов на настенном экране с помощью мультимедийного проектора позволяют мгновенно с помощью заранее введенных в компьютер формул и шаблонов производить трудоемкие вычисления и построение графиков, оценивать точность и достоверность результатов прямых и косвенных измерений, корректно проводить сопоставление данных эксперимента и теории, выдвигать и оперативно (практически мгновенно) проверять справедливость выдвигаемых гипотез. Благодаря экономии времени на выполнении трудоемких вычислительных и графических процедур в эксперименте с компьютерной поддержкой не элиминируется этап его планирования; обеспечивается вариативность различных параметров; больше возможностей предоставляется для анализа и осмысления результатов. В целом, в эксперименте с компьютерной поддержкой полнее удовлетворяются критерии научности знания (объективность, точность и достоверность результатов, обоснованность выводов, системность, нацеленность на раскрытие сущности предмета исследования).
Использование демонстрационного эксперимента с компьютерной поддержкой влияет на методы изучения нового материала. Становится возможным использовать в качестве основных методы проблемного изложения: исследовательский и эвристический, вести постоянный диалог с обучаемыми. Кроме того, компьютерная поддержка обеспечивает востребованность эксперимента как средства получения нового знания (а не только как средства подтверждения истинности «готового», «ставшего» знания).
Приведем пример использования демонстрационного эксперимента с компьютерной поддержкой в форме разработки урокаизучения нового материала по теме «Скорость равномерного движения». Разработка урока может быть использована, например, при изучении материала § 1 учебника [2].
1. Начало урока выстраивается в соответствии с логикой § 1.
2. На следующем этапе проводится демонстрационный эксперимент по изучению особенностей скольжения бруска по жёлобу при критическом угле наклона.
Учитель на листе MS Excel заранее готовит форму таблицы (подобную таблице на С. 15 в учебнике [2]), и шаблон графика зависимости координаты х бруска от времени t. Далее выполняется натурный эксперимент на установке, в которой основным элементом является вибратор, ударяющий по бумажной ленте с сетевой частотой. Протягиваемая через вибратор лента соединена с бруском, движущимся по желобу. Результатом эксперимента является получение бумажной ленты с зафиксированными на ней положениями бруска через одинаковые промежутки времени t 0 = 0,02 c. Для проведения измерений величины координаты бруска в различные моменты времени к демонстрационному столу приглашаются два ученика, один выполняет измерения по бумажной ленте, другой вводит их результаты в ячейки таблицы. Измерения пути проводятся, например, через Δ t = 0,1 с (5 интервалов по 0,02 с). По мере ввода данных учащиеся класса наблюдают автоматическое построение графика на большом экране, куда изображение проецируется с помощью мультимедийного проектора. В беседе с учащимися выявляется наличие двух участков на графике зависимости пути, пройденного бруском, от времени (участки неравномерного и равномерного движения). Для того чтобы лучше была лучше видна нелинейность начального участка графика и линейность его конечного участка, учитель показывает эти участки на отдельных графиках. Каждый из графиков учитель показывает в увеличенном масштабе, после чего нажатием кнопки «Отменить», расположенной на панели инструментов, возвращает графики к исходному размеру.
Далее в таблице заполняется еще один столбец, в котором вычислена скорость бруска на каждом временном интервале Δ t = 0,1 c. Для этого в ячейки соответствующего столбца таблицы вводится формула v i = (х i +1 – х i -1)/Δ t. Построенный по данным таблицы график зависимости скорости от времени v (t) обнаруживает сложный, неустойчивый характер движения бруска, что требует объяснения. В ходе беседы выясняется, что поверхность желоба, по которому соскальзывает брусок, не может быть вполне однородной. С другой стороны, разброс точек графика может быть обусловлен погрешностями измерений. Тем не менее, на том временном интервале, где график х (t) прямолинеен, скорость тела практически постоянна.
Тем самым выявляются особенности движения бруска, обнаружение которых было целью урока. Добавим к этому, что через участок равномерного движения бруска можно провести линейный аппроксимирующий график и вывести его уравнение на координатную плоскость (в MS Excel на выполнение этих операций требуется несколько секунд). Угловой коэффициент в уравнении будет равен найденному значению скорости бруска. Этим осуществляется переход к следующей части урока, в которой учащиеся знакомятся с формулой х = х 0 ± vt. Подчеркнем, что в ходе занятия исследование разворачивается «на глазах» учащихся с их активным участием.
Таким образом, с использованием компьютера «мгновенная» скорость экспериментально определяется на всех временных интервалах движения бруска. Благодаря этому удается более полно представить явление равномерного движения и установить, что в пределах погрешности координата бруска изменяется закономерным образом, по линейному закону.
По вполне аналогичному плану могут быть проведены и уроки, на которых изучаются понятия скорости неравномерного движения иускорения (§ 2). Очевидно, описанную технологию можно использовать при изучении зависимости силы упругости пружины и резинового шнура от деформации, зависимость силы трения скольжения от площади поверхности соприкосновения тел и силы давления и т. д.
Литература:
1. Лекционные демонстрации по физике [Текст] / М.А. Грабовский [и др.]. – М.: Наука, 1972. – 639 с.
2. Андрюшечкин, С.М. Физика. 9 кл. [Текст]: учебник для организаций, осуществляющих образовательную деятельность / С.М. Андрюшечкин. – М.: Баласс, 2015. – 320 с.
Г.Г. Ушакова,
канд. биол. наук, доцент
кафедры естественнонаучных дисциплин,
безопасности жизнедеятельности и туризма
АГГПУ им. В.М. Шукшина (г. Бийск);
Н.И. Топоркова,
студентка АГГПУ им. В.М. Шукшина,
5 курс, ФМиЕН (г. Бийск)
