ФОРМИРОВАНИЕ НАВЫКОВ ИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УЧЕБНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО КУРСУ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Неоднозначное отношение образовательного сообщества к реформам образования, на наш взгляд, не может поставить под сомнение то обстоятельство, что провозглашаемый в новом Законе об образовании компетентностный подход «…более адекватно отражает основные аспекты процесса модернизации общества в начале двадцать первого века» [1].

Вместе с тем, в силу сложившихся традиций, в образовательной практике и средней, и высшей школы преобладает так называемая «знаниевая» парадигма, ориентированная на освоение «дидактических единиц», зачастую не составляющих и не представляющих целостное образовательное пространство. Это обстоятельство определяет фрагментарность полученного образования, наличие многочисленных параллелизмов (межпрограммных и межуровневых), все возрастающий отрыв образования от насущных задач практики. Глубинная причина такого положения кроется, по нашему мнению, в серьезном кризисе системности современного отечественного образования. Не определено, не сформулировано и, вследствие этого, не формируется у обучающихся главное системное свойство образования как способа всестороннего личностного развития, не реализуется идея сквозного, непрерывного метапредметного образования, которое принципиально не может быть сведено к формированию традиционного набора ЗУНов.

Автор не претендует в данной статье на выработку исчерпывающих рекомендаций и методик «внедрения» системного подхода в образовании. Задача состояла в описании и обсуждении результатов апробации одного из фрагментов системного компетентностного подхода — формирования так называемой информационной компетенции. В самой общей формулировке эта компетенция заключается в выработке умений и навыков создания адекватных информационных моделей окружающей действительности.

Такая работа проводится на кафедре физики ПГТА под руководством проф. Б.Л. Свистунова, в частности, на материале простых лабораторных экспериментов, соответствующих типовой программе курса общей физики для бакалавриата технических и технологических направлений [2].

Простота здесь понимается как наглядность, узнаваемость изучаемого явления на основании повседневного опыта и первичных научных представлений, формируемых в школе; важна также относительная доступность математического описания изучаемой физической системы. По нашему мнению, необязательным, более того, нежелательным является стремление включения в программу лабораторного практикума экспериментальных исследований сложных явлений современной физики, понимание которых даже в рамках вузовского курса предполагает достаточно высокий уровень естественнонаучной подготовки студентов, сформированности специфического — «физичного» — способа мышления и мировосприятия. «Современность», «научность» таких тем в сравнении, скажем, с относительно простыми вопросами классической механики, сомнительна прежде всего в том смысле, что не может служить основой формирования методологической культуры, так как не опирается на соответствующую теоретическую и феноменологическую базу, имеющуюся у подавляющего большинства обучающихся.

В связи со сказанным предпочтение при выборе тем учебных экспериментов отдается исследованию явлений, достаточно широко и наглядно представленных в окружающей природе и технике, в быту; таких, например, как «Законы сохранения в механике», «Колебания и волны», «Физические поля и их характеристики» и т. п.

Рассмотрим в качестве примера содержание и алгоритм выполнения одного из наиболее распространенных в учебной практике технических вузов лабораторного опыта по исследованию сложного движения тела (на примере падения шарика с некоторой высоты с заданной горизонтально направленной скоростью).

Собственно работа в лаборатории выполняется в несколько этапов.

Этап 1. Наблюдение процесса, его вербальное описание, формирование предварительных гипотез о виде и характеристиках наблюдаемого движения; их обсуждение.

Важным является нахождение аналогов рассматриваемого явления в быту, в технике. (Отметим, что живой интерес вызывает рассмотрение в качестве примера прыжков на лыжах с трамплина).

Итак, наблюдается падение тела (шарика) с некоторой высоты h с заданной горизонтально направленной скоростью . По наблюдениям: шарик движется по кривой, причем дальность его полета по горизонтали пропорциональна значению . В качестве гипотез могут быть выдвинуты следующие предположения: время полета а) зависит только от начальной высоты h и b) не зависит от начальной горизонтальной скорости .

Для составления математической модели движения изображается схематичный рисунок (рис. 1). Здесь х, y — оси координат; h — начальная высота шарика;  — начальная скорость движения шарика; L — дальность полета шарика по горизонтали;  — ускорение свободного падения.

Рисунок 1.

Движение шарика представляем как сложное. Для его описания используются простые математические приемы. При выбранном направлении осей кинематические уравнения движения имеют вид

                                                         (1)

Исключая из системы уравнений (1) время, получим параметрическое уравнение траектории движения шарика; это уравнение параболы:

.                                                 (2)

Время τ падения шарика находим из уравнения        , откуда .

Оказывается, что время движения шарика равно времени его вертикального падения без начальной скорости. Обучающимся предлагается математически доказать эту гипотезу (что легко сделать, например, с использованием закона сохранения механической энергии: ).

Длина полета шарика по горизонтали

                                           (3)

Уравнения (1), (2), (3) в сочетании с вербальным описанием и графическим представлением (рис. 1) и представляют информационную модель исследуемого процесса. Важно при этом сосредоточить внимание обучающихся на том, что любое сложное движение может быть представлено аналогичным образом как геометрическая сумма простых, в частности, прямолинейных движений (отсюда — один формальный шаг, например, к рядам Фурье).

Далее целесообразно отметить возможность использования рассматриваемого явления для определения, например, ускорения свободного падения g. Интересен и важен для подготовленных студентов анализ использования с этой целью интервала τ «напрямую» и связанные с этим способом погрешности. Обычно задают две произвольные высоты h₁ и h₂ (рис. 1) и определяют интервал времени τ, соответствующий пролету шариком расстояния Δh=h₂-h₁; тогда можно определить значение g как

.                                                    (4)

Важным этапом исследования является сравнительный анализ данного способа определения g и других, известных по литературе, например, с помощью математического маятника.

Важно убедительно доказать обучающимся, что способы экспериментального определения каких-либо физических величин, как правило, разнообразны, и применение того или другого из них зависит от требований по точности измерения, наличия и ограниченности материальных и временных ресурсов.

В качестве самостоятельной работы (выполняемой, как правило, вне аудитории) обучающимся предлагается составление информационных моделей для ряда вариантов сложного движения (по указанию преподавателя). Необходимо получить с помощью созданной информационной модели ответы на поставленные вопросы.

Далее приведены некоторые примеры подобных заданий [3].

1.  Бомбардировщик пикирует на цель под углом α к горизонту со скоростью  и сбрасывает бомбу на высоте h.

Найти: на каком расстоянии s от цели в горизонтальном направлении надо освободить бомбу, чтобы она попала в цель?

α=60^о, , h=600 м.

2.  На высоте h параллельно поверхности земли летит утка со скоростью . Охотник выстрелил, прицелившись прямо в утку под углом α к горизонту и попал в утку. Начальная скорость дроби .

Найти: высоту полета утки

, .

3.  Миномет установлен на расстоянии ℓ от вертикального обрыва высотой h. Минометным огнем надо поразить цели, скрытые за обрывом.

Найти: как близко к основанию обрыва могут попасть мины, если , ℓ=8,1 км, h=105 м?

Рисунок 2.

4.  С высоты H на наклонную плоскость, образующую с горизонтом угол α свободно падает мяч и упруго отражается с той же скоростью.

Найти: расстояние от места первого удара до второго, затем от второго до третьего и т. д. Как соотносятся времена движения между ударами?

α=45^о.

Рисунок 3.

5.  Баскетболист бросает мяч с высоты h, находясь на расстоянии ℓ от кольца, считая по горизонтали.

Найти: под каким наименьшим углом к горизонту следует бросать мяч, чтобы он пролетел сквозь баскетбольное кольцо, не ударившись о него? Радиус мяча равен r, радиус кольца R=2r, высота его над полом H=3 м, ℓ=5 м.

Рисунок 4.

Указание. За условие минимальности угла бросания α принять касание мячом передней и задней точек дуги кольца. Тогда .

Этап 2. Собственно экспериментальная работа по теме начинается с изучения лабораторной установки, в которой реализуется исследуемый процесс. В нашем практикуме физический эксперимент осуществляется на установке по методике проф. А.Н. Сальникова [4].

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 5.

Рисунок 5. Схема экспериментальной установки

На рис. 5, а: 1 — лазер; 2 — полупрозрачное зеркало; 3 — зеркало; 4,5 — приёмные фотодиоды, управляющие секундомером 5. на рис 2, б показано, что длительность интервала τ формируется как длительность между передними фронтами импульсов срабатывания фотодиодов ФД1 ФД2, соответственно.

На описанной установке проводится серия опытов.

Этап 3. Компьютерное моделирование.

На компьютерной модели исследуется один из вариантов сложного движения, рассмотренных на этапе 2. Исследование включает: формализацию исходных данных; задание параметров движения; варьирование параметров (обязательно, в том числе, в пределах численных значений в задачах задания этапа 2); сравнение результатов расчета с результатами компьютерного моделирования; формулирование выводов.

Этап компьютерного моделирования ориентирован прежде всего на обучающихся по информационным направлениям, однако с интересом выполняется обучающимися других направлений бакалавриата.

На наш взгляд, рассмотренный подход является важным в реализации в преподавании физики неоспоримого тезиса проф. А.Д. Гладуна: «Физика — это искусство моделирования» [5], который в афористичной форме выражает суть рассматриваемого подхода — формирование исследовательской компетенции.

Список литературы:

1.Воронов Н.М. Компетентностно-ориентированный подход как системное решение актуальных проблем современного отечественного образования / Н.М. Воронов, Г.И. Письменный // Реализация компетентностного подхода в образовательном процессе: Научные труды СГА. — М.: Изд-во СГУ, 2009, С. 38—35.

2.Гладун А.Д. Педагогические раздумья физика. — МФТИ, 2005.

3.Горин Ю.В. «Лабораторные эксперименты по дисциплине «Концепции современного естествознания» / Ю.В. Горин, Н.В. Беззатеева, Б.Л. Свистунов // Пенза, ПГТА, 2005.

4.Кан В.В. Некоторые аспекты формирования исследовательской компетенции в лабораторном практикуме по курсу общей физики / В.В. Кан, Б.Л. Свистунов // Тр. VIII Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия: педагогика и психология». — МЦНО, М.: 2012.

5.Сальников А.Н. Физический практикум, ч. 2 / А.Н. Сальников // Саратов, СГТУ, 2003.