Формирование исследовательских навыков в лабораторном практикуме по физике с использованием информационных технологий

Социально-экономические условия развития российского общества предъявляют высокие требования к подготовке специалиста любого уровня. Современный специалист должен владеть системой фундаментальных и специальных знаний, навыками решения профессиональных задач, быть готовым постоянно повышать свою квалификацию, осваивать новые сферы и направления деятельности, используя свой интеллектуальный и творческий потенциал.

Анализ основных видов профессиональной деятельности, которыми должен овладеть бакалавр многих технических специальностей в соответствии с федеральным государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, показал, что одним из направлений, позволяющих решать профессиональные задачи специалиста, является исследовательская деятельность. Она включает в себя:

• –    проведение экспериментов по заданным методикам, обработку и анализ результатов;

• –    проведение технических измерений, составление описаний проводимых исследований [1].

Выполнение данных задач выпускником вуза в профессиональной деятельности будет успешным, если он приобретет навыки исследовательской деятельности во время обучения.

В связи с особенностями профессиональной деятельности инженеров возникает необходимость в разработке подхода к обучению, основанного на исследовательском методе обучения, учитывающем межпредметные связи и интеграцию предметного и профессионального содержания.

В основе нашей методики лежит связь предметного содержания физики (выполнение лабораторного практикума), информационных технологий (использование прикладных программных средств) и компетентностного подхода в рамках профессиональной деятельности.

На начальном этапе подготовки инженеров технических специальностей элементы начальной исследовательской деятельности могут быть сформированы при изучении дисциплины «Физика», а именно при выполнении студентами лабораторного практикума.

«Физика» является дисциплиной естественно-математического цикла и обеспечивает базовую подготовку для успешного усвоения общетехнических дисциплин, а также формирования профессиональных компетенций, в число которых входит и исследовательская деятельность.

Одной из форм обучения студентов навыкам исследовательской деятельности является лабораторный практикум, особенности которого следующие:

• –    практикум проводится регулярно в течение всего времени обучения физике;

• –    на практикуме студенты знакомятся с методами научного физического исследования;

• –    содержание практикума позволяет экспериментально проверить многие теоретические положения, рассматриваемые на лекциях и практических занятиях;

• –    при выполнении практикума вместе с работами, выполняемыми студентами репродуктивно, существует возможность включать элементы исследования или выполнять исследовательские работы.

Для формирования у студентов навыков исследовательской деятельности были определены две задачи:

• 1)    подобрать лабораторные работы практикума, соответствующие направлению подготовки студентов;

• 2)    выбрать прикладные программные средства, обеспечивающие автоматическую обработку результатов вычислений, а также построение и анализ графиков.

Для выполнения первой задачи был выбран комплекс лабораторных работ по механике, на установках которого можно изучать и исследовать физические закономерности. Практикум включает в себя 12 лабораторных работ. Каждая работа содержит обязательную часть для выполнения и часть, в которой присутствуют элементы исследования.

В качестве инструментального средства для обработки данных лабораторного практикума выбраны электронные таблицы MS Excel, представляющие собой эквивалент обычных таблиц, в ячейках которых записаны данные различных типов (текст, числа, дата, формулы). Основное достоинство электронных таблиц – возможность мгновенного перерасчета результатов во всех формулах при изменении исходных данных. Кроме этого, они позволяют проводить однотипные расчеты над большими наборами данных, строить и редактировать графики и диаграммы, определять уравнение аппроксимирующей функции на координатную плоскость графика, находить из графиков искомые величины и оценивать их погрешности.

В качестве примера работы, включающей в себя элементы учебного исследования, выбрана лабораторная работа «Изучение закона динамики вращательного движения с помощью маятника Обербека». В работе исследуется основой закон динамики вращательного движения, согласно которому угловое ускорение ε вращающегося тела пропорционально моменту силы ^⃗ М ^⃗ относительно неподвижной оси вращения и обратно пропорционально моменту инерции тела J относительно той же оси [2].

Порядок проведения лабораторной работы состоит из нескольких этапов.

На первом этапе с помощью лабораторной установки выполняют прямые измерения: радиус барабана r , высота подъема груза h и время падения груза t на лабораторный стол. Экспериментальные данные заносят в основную расчетную таблицу (в таблицу MS Excel), с помощью которой автоматически определяют значения момента силы и углового ускорения шкива (рис. 1).

На втором этапе на основании полученных результатов расчета строят график зависимости ε ( M ), определяют линию тренда (линия тренда – это линия, аппроксимирующая приведенную на графике зависимость) и получают линейное уравнение данной зависимости.

A В C D E F G H I J К L M N О P i Маятник Обербека

3	1=	12,5	CM	m != 0,0915 кг	m 2= 0,056 кг	m 3= 0,0973 кг	h= 0,6 jh
4	r=	0,0175	M	m i=	m i+m 2=	m i+m 3=	m i+m 2+m g=
5				0,0915	0,1475	0,1888	0,2448
6				11, c	Г^Г	ts.c	t4, c
7		1		11,9	9,3	8,1	7,2
8		2		12	9,4	8,1	7,2
9		3		11,9	9,3	8,1	7,2
10		4		11,9	9,3	8,1	7,2
11				£ leped, —	£ 2 сред, —	£ 3 сред, —	^4 сред, —
12				11,925	9,325	8,1	7,2
13				M !=m 1gr=	M 2=[m ,+m 2)yr=	M3=(m j+m 3)gr=	м 4=(m 1+m г+m ator=
14				0,01569	0,02530	0,03238	0,04198
15				2Й si = “a- =	2h S2 = —i = rt^	2Й E3 = ^ =	2Й E< =^ =
16				0,48220	0,78858	1,04514	1,32275

Рисунок 1 - Основная расчетная таблица

По полученной зависимости (уравнению) с помощью средства Подбор параметра программы MS Excel определяют экспериментальный момент силы трения как точку пересечения графика (линии тренда) с осью «абсцисс» (рис. 2).

Рисунок 2 - Определение экспериментального момента силы

На третьем этапе по графику (линии тренда) определяют среднее значение момента инерции маятника как угловой коэффициент прямой и рассчитывают теоретическое значение момента силы трения. Полученный результат сравнивается с экспериментальным значением момента силы трения для определения абсолютной погрешности измерений.

Применение электронных таблиц MS Excel дает возможность ускорить процесс обработки результатов измерений и освобождает время для анализа полученных результатов с целью более полного понимания физических закономерностей и явлений, исследуемых в лабораторной работе.

В рамках рассматриваемых компетенций применение интегрированного подхода к выполнению физического практикума формирует у студентов умения и навыки исследовательской деятельности, которые позволяют:

• –    овладеть способами получения и применения теоретических и практических знаний;

• –    овладеть методикой проведения экспериментов;

• –    использовать информационные технологии для обработки результатов измерений;

• –    развить творческое мышление и стремление к познанию;

• –    развить умение организовать и планировать свою деятельность;

• –    стимулировать самообразование и саморазвитие;

• –    воспитывать ответственность, целеустремленность, волю, смелость в преодолении трудностей.

Следует отметить, что процесс подготовки будущих специалистов к исследовательской работе должен быть последовательным, междисциплинарным, представлен в разнообразных формах учебных занятий, что заложит основу для развития интереса к этому виду профессиональной деятельности.

Процесс подготовки будущих специалистов к исследовательской работе во время обучения в вузе будет результативным при условии вовлечения студентов в различные формы научноисследовательской деятельности.

Ссылки:

• 1.    Федеральный государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению подготовки 151000 «Технологические машины и оборудование», квалификация (степень) «бакалавр» [Электронный                         ресурс].                         URL:                         http://xn--80abucjiibhv9a.xn--

  p1ai/%D0%B4%D0%BE%D0%BA%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%8B/1964  (дата обращения:

12.05.2015).

• 2.    Механика. Молекулярная физика и термодинамика : учеб. пособие по выполнению лабораторных работ / С.Ю. Гуревич, Ю.В. Волегов, Е.В. Голубев, Е.Л. Шахин. Челябинск, 2008. 98 с.