Реферат: Навчальний експеримент у системі вивчення фізики в середній школі

4. Уміти супроводжувати досліди чіткими, вичерпними і короткими поясненнями на рівні, доступному для учнів відповідного класу.

5. Оволодіти навичками в дотриманні правил техніки безпеки під час проведення всіх видів навчального експернменту.

§ 7. Засоби НІТ у навчальному фізичному експеременті

Стрімке збільшення потоку наукової інформації у період технічного прогресу людства потребує своєчасного адекватного відбиття в навчальному процесі. Використання засобів нових інформаційних технологій (НІТ) сприяє не лише покращенню емоційного сприйняття, а й підвищенню інформативності навчального матеріалу, його наочності та доступності. Фізика за своєю основою є експериментальною наукою. Шкільний фізичний експеримент тісно пов’язаний з теоретичним навчанням.

Навчальний експеримент передбачає: висунення теоретичної гіпотези, яка вимагає практичного підтвердження, розробку методу дослідження, постановку експерименту, спостереження за його ходом, зняття фізичних пара-метрів, їх систематизацію, аналіз та узагальнення і формулювання висновків щодо проведеної роботи. Зважаючи на універсальність, комп’ютерну техніку можна використати на всіх етапах проведення експерименту. Це відкриває нові, перспективні підходи щодо отримання експериментальних даних.

Ефективність застосування ЕОМ в експериментально-дослідній роботі зумовлюється такими чинниками: висока точність результатів та їх достовірність, оскільки програмні засоби уможливлюють застосування методів, що знижують нагромадження похибок під час округлення та обчислення проміжних величин; скорочення кількості складних, дорогих і унікальних приладів; підвищення якості та інформативності дослідження за рахунок ретельнішої обробки даних; збільшення кількості об’єктів, що контролюються; підвищення емоційного впливу; скорочення циклів дослідження на основі прискорення підготовки і проведення експерименту, оперативного використання результатів аналізу, зменшення часу обробки та систематизації даних.

Комп’ютеризація експерименту розширює обізнаність учнів з досліджуваним фізичним явищем, формує навички і надає їм впевненості під час використання сучасних експериментальних методів, ознайомлює з передовими засобами пізнання, видами контролю за технологічними процесами на виробництві, дає змогу по-новому розглядати методику постановки шкільного експерименту.

Сучасні персональні комп’ютери (ПК) уможливлюють використання ЕОМ у дослідній роботі з підключенням відповідних допоміжних пристроїв у ролі засобів контролю, реєструючих приладів, приладів візуального відбиття та ін. На екрані графічного дисплея можна формувати систему шкал вольт-, ампер-і ватметрів та багатьох інших вимірювальних приладів, що реєструють певні параметри досліджуваних об’єктів. В експериментально-дослідній роботі проміжпою ланкою між ЕіОМ і об’єктом дослідження є датчики та перетиорюючі пристрої. Як правило, датчики сприймають інформацію в аналоговому вигляді (температура, тиск, освітленість, вологість, напруга та ін.), яку перш ніж «подати» до комп’ютера, необхідно перетворити в цифрову форму. Під час роботи з групою датчиків програми забезпечують періодичне опитування стану кожного з них. Після обробки експериментальних даних ЕОМ направляє результати в необхідному для аналізу вигляді на пристрої виводу.

Для використання апаратних засобів ЕОМ, опрацювання сигналів, що надходять, і виведення результатів у зручній для сприйняття формі створюють відповідні програмні засоби обробки та дослідження сигналів. Такі програми можуть бути спеціалізовані — призначені для дослідження конкретного фізичного об’єкта, або універсальні — для забезпечення певного виду експериментів. Програмні засоби, призначені для забезпечення сприйняття іиформації про зміну параметрів фізичних величин та їх характеристик від датчиків та перетворюючих пристроїв для її наступної обробки в цифровому вигляді, збереження та реєстрації на засобах виводу, відносять до експериментально-дослідних.

Питання комп’ютеризації експериментально-дослідної роботи неодноразово порушу-валися в наукових та навчально-методичних виданнях, але специфіка підходу щодо застосування та їх інформативність недостатні для використання в шкільній практиці. Виконання таких робіт у навчальному процесі забезпечує розроблений пакет педагогічних програмних засобів (ППЗ) «F(t)». Він призначений для демонстрації і дослідження зміни фізичних величин з часом та експлуатації ПК типу ІВМ РС як осцилограф. ППЗ «F(t)» забезпечує візуалізацію часових змін характеристик фізичних величин, що досліджуються за допомогою датчиків резистивного типу (фото-, термо-, магніто- і га-зорезистори та ін.) та перетворювачів, підключених до аналогово-цифрового порту вводу ЕОМ ІВМ РС і сумісних з ними. Інструментальна похибка у вимірюваннях та розрахунках на основі рекомендованого пакету програм не перевищує 5 %. Дослідження проводять у системі з реальним масштабом часу.

ППЗ «F(t)» дає змогу оцінити відхилення електричних характеристик датчика фізичної величини і побудувати графічну залежність зміни її па-раметрів з часом на екрані ди-плея (типу EGA або VGA). Пакет «F(t)» передбачає повний і посторінковий перегляд досліджуваного процесу апрок-симованої графічної залежності й проведення його функціонального дослідження на основі диференціювання та інтегрування функції з обчис-ленням площі криволінійної трапеції та знаходженням абсолютних екстремумів функції. У пакеті реалізована можливість кросування функції для визначення її значень у будьякий момент часу дослідження.

Для покращення психологічного сприйняття, інформативності та слухового контролю передбачено звуковий супровід експериментального процесу. Враховуючи невеликі розміри дисплея, що впливає на погіршення демонстраційних характеристик ПК, а також проблеми підключення ЕОМ з EGA та VGA дисплеями до побутових телевізорів, у пакеті передбачена можли-вість виведення відеоінформації з підвищеним контрастом. Програма забезпечує вивід результатів дослідження на друкуючий пристрій для отримання твердої копії утвореної графічної залежності та даних її аналізу.

Основним робочим файлом пакета, який забезпечує отримання даних та керування експериментальним процесом є f(t).ехе. Інформація про досліджуваний процес за умовчанням заноситься у файли даних f(t).dat та атрибутів f(t).аtг для подальшої обробки та збереження в бібліотеці експериментальних даних. За необхідності користувач має змогу створити або викликати з бібліотеки даних (каталог ОАТА) для дослідження свій файл з будьяким іншим іменем, що відповідає вимогам та синтаксису операційної системи MS DOS. До пакета також входять допоміжні файли з довідковою і технічною інформацією для користувачів f(t).doc і f(t).shm, в яких описано призначення та можливості ППЗ «F(t)», його особливості, функціональні клавіші, схеми узгодження та ін.

Датчики під’єднують через стандартний аналогово-цифровий порт вводу/виводу ЕОМ ІВМ РС за допомогою узгоджувального пристрою (мал. 1.). Для отримання інформащї щодо стану датчиків звертаються до порту за адресою 0201h.

Наочність та інформативність споглядання ходу демоистраційного експерименту забезпечується безпосереднім спостереженням використаного обладнання і засобів, а також результатів обробки експериментальних даних у графічному та цифрознаковому вигляді на дисплеї ЕОМ і копії, отриманої на друкуючому пристрої. Передбачено збереження експериментальних результатів та функціональної залежності, добутих під час досліджень, у бібліотеці даних для наступного використания для актуплізації опорних знань, на уроках узагальнення набутих знань, умінь та навичок, а також під час повторения навчального матеріалу.

Такий комп’ютеризований підхід до проведення шкільного фізичного експерименту розширює обізнаність учнів з досліджупаними явищами, надає їм впевненості під час використання сучасних експериментальних засобів, ознайомлює з персдовими способами пізнання, новими інформаційними, навчальними технологіями, сучасними методами контролю за технологічішми процесами на виробництві, перспективними методами наукових досліджень, навчає розрізняти реальні та ідеальні об’єкти фізики, створює умови оновлення методики та техніки постановки шкільиого демонстраційного експерименту з фізики.

§ 8. Приклад навчального фізичного експерименту

Для ілюстрації вище сказаного пропонується навчальний фізичний експеримент демонстраційнодослідного характеру, що забезпечує вивчення механічних коливальних процесів та сприяє засвоєнию знань з таких розділів фізики, як акустика, радіотехніка, електроніка, хвильова оптика, фізика атома і ядра. Проведення й постановка відомих традиційних експсримептів для вивчення механічних коливань з використанням самописців, пісочниць, крапельниць з метою дослідження закономірностей коливальних рухів мають низку недоліків, пов’язаних в основному з необхідністю виготовлення численних вузькоспеціалізованих, принципово відмінних пристроїв. Використання засобів сучасної електронної техніки дає змогу удосконалити деякі класичні навчальні експерименти.

Розглянемо графічні способи демонстрування залежності координати тіла фізичного маятника від часу з використанням ком’ютерної техніки.

Прилади та обладнання:

штатив з лапкою і муфтою;

фізичний маятник (масивне тіло на тонкому металічному стержні — шпиці); з’єднувальні провідники; змінний резистор (47 кОм); узгоджувальний пристрій (мал. 1), комп’ютер ІВМ РС АТ з інстальованим пакетом ППЗ F(t).

Підготовка демонстрації. Механічно жорстко з’єднують стержень фізичного маятника з віссю змінного резистора, корпус якого закріплюють у лапці штатйва так, щоб маятник міг здійснювати коливальні рухи. Для зменшення впливу тертя та забезпечення точності експериментальних даних змінний резистор має бути функціональної групи А (з лінійною залежністю опору від кута повороту). Рекомендований тип змінного резистора — ПТП 1, ПЛ П 1 або інші подібні.

Для забезпечення навчальних якостей експерименту слід передбачити можливість зміни маси маятника, а також його довжини в межах від 0,2 до 1,5 — 2 м. Стержень можна виготовити зі стального дроту діаметром 1 — 2 мм. Контакти змінного резистора з’єднують гнучкими, скрученими між собою провідниками з вхідними клемами узгоджуиального пристрою (мал. 1). Потім цей пристрій з’єднують з портом вводу-виводу комп’ютера ІВМ РС АТ. Розта-шування компонентів демонстраційної установки повинно забезпечувати одночасне спостереження коливань маятника й експериментальної графічної залежності на екрані дисплея.

Хід експерименту.

Вмикають комп’ютер і активізуюгь ППЗ «F(t)». Входять у розділ меню «Make date of process» і згідно з передбаченими ППЗ розділами вводять основні характеристики досліджуваного процесу:

1. Максимально можливе амплітудне значения зміщення маятника Х (см), що передбачається зафіксувати в процесі дослідження. Значення зміщення можна спостерігати по осі ординат.

2. Час одного раунду t (с), що фіксується по осі абсцис. За часом одного раунду визначають час, необхідний для проходження променем робочої частини екрана зліва направо. Дані, відображені на біжучому екрані (сторінці), зберігатимуться в пам’яті. Тривалість одного раунду вибирають такою, щоб можна було детально розглянути зміну параметрів, оскільки ППЗ передбачає роботу в реальному масштабі часу.

3. Літерне позначення досліджуваної величини, що реєструється на осі ординат і в подальшому використовується для опису функціональної залежності її зміни з часом «F(t)».

Після вводу характеристик процесу на екрані дисплея з’являються осі координат із заданими величинами, а також біжучі параметри, що ха-рактеризують хід експериментального процесу: час дослідження, миттєве значення досліджуваної величини, номер робочої сторінки та ін. Комп’ютер переходить до режиму реєстрації і збереження даних від датчика, їх обробки і виводу результатів на екран дисплея в графічному вигляді.

Для демонстрування графічної залежності координати фізичного маятника від часу використовують маятник з якомога більшою довжиною стержня (для збільшсння періоду коливань) і масою вантажу (для зменшення впливу сили тертя). На початку експерименту відхиляють маятник від положення рівноваги і спостерігають синхронні зміщения електронного проме-ня на екрані ЕОМ. Повторюють спостереження для різних значень зміщення маятника. Звертають увагу на те, що під час збільшення миттєвого зміщення маятника спостерігається відповідне більше відхилення електронного променя. На основі цього доходять висновку, що відхилення променя змінюється про-порційно зміщенню маятника від положення рівноваги, тобто його миттєвому зміщенню.

Зміщують маятник від положення рівноваги на невеликий кут і відпускають. У процесі дослідження спостерігають за коливанням маятника і одночасним віддзеркаленням графічної залежності на екрані дисплея. Експери-мент повторюють, змінюючи довжину маятника (стержня). Доходять висновку про залежність періоду коливань від довжини маятника. В разі потреби відтворюють копію графічної залежності на друкуючому пристрої (мал. 2).

Під час розгляду затухаючих коливань масу вантажу маятника слід зменшити. Виводять маятник з положення рівноваги і, спостерігаючи за його коливаннями і функціональною залежністю на екрані дисплея, звертають увагу учнів на те, що коливання з часом припиняються. Крім того, слід звернути увагу на те, що з часом зменшується лише амплітуда коливань , а не їх період, як іно-ді помилково думають учні.

Для спостереження затухаючих коливань збільшують масу маятника, надають йому можливість здійснювати вільні коливаиня, які відбуватимуться протягом тривалішого часу. За графіком коливань доходять висновку про обернену експоненціальну залежність зміни амплітуди коливань з часом (мал. 5).

Після закінчення роботи аналізують результати дослідження, користуючись даними, що зберігалися на запамтовуючих пристроях комп’ютера. При цьому використовують розділи меню «Page of process» для посторінкового перегляду досліджуваного процесу або «Show the whole process» для одночасного спостереження всієї залежності на екрані. Покращення де-монстраційних та інформаційних якостей можна досягнути, скориставшись сервісними функціями ППЗ «F(t)»: задіяти кросування функції, вивести координатну сітку, відтворити зображення в чорнобілому режимі з підвишеною контрастністю для спостереження у великих аудиторіях, задіяти аудіосупровід та ін. Подібний аналіз доцільно проводити з використанням копій, які отримано за допомогою друкуючого пристрою.

Заключення

У даній роботі була розглянута методика та техніка проведення навчального експерименту у системі вивчення фізики в середній школі. Були розглянуті рекомендації студентам, які проходять практику викладання фізики в школі щодо навчального експерименту. На прикладі була продемонстрована схема проведення навчального експерименту з використанням сучасних методів учбового дослідження. Добре висвітлено, що навчальний експеримент у всіх його формах є важливою частиною учбового процесу.

13

11

2