Сучасний кабінет фізики нові можливості для навчання
Під сучасним розуміється кабінет фізики, що постачається до шкіл у рамках пріоритетного національного проекту «Освіта». Демонстраційне обладнання такого кабінету можна умовно розділити на дві компоненти – аналогову та комп'ютерно-цифрову серії «L-мікро». В останню входять демонстраційні комплекти, які забезпечують вимірювання з використанням вимірювального комп'ютерного блоку і датчиків різного типу. У школи зараз повсюдно впроваджуються також фронтальні комплекти серії «L-мікро», що дозволяє продовжити перебудову методики фронтального експерименту, яку багато років тому розпочав на базі своєї мікролабораторії.
1. Фронтальний експеримент
Самостійному навчальному експерименту завжди приділялася найпильніша увага. До початку перебудови системи освіти, прийняття стандарту та зміни концепції фізичної освіти провідною була методика фронтального експерименту та фізичного практикуму, оскільки ці форми самостійного експерименту були нормативно-обов'язковими. Проте, попри досить повно розроблені види, функції та форми проведення таких занять, передові педагогічні ідеї на масової педагогічної практиці було неможливо реалізуватися. Справа в тому, що фронтальне обладнання будувалося за «приладовим» принципом: клас-комплект містив понад 1800 примірників різних приладів та 120 найменувань обладнання. При підготовці кожного фронтального експерименту вчитель був зобов'язаний сам складати відповідний комплект обладнання, що не дозволяло проводити лабораторні роботи, в яких проблеми міг би ставити учень. Ось чому практично єдиною формою фронтального експерименту вмасової практиці стали одночасові тематичні роботи, інструкції яких зазвичай наводяться у підручниках, які входять у Федеральний список.
Розробка, серійне виробництво та постачання до шкіл у рамках пріоритетного національного проекту «Освіта» тематичних комплектів фронтального обладнання (рис. 1) створюють матеріально-технічні умови для реалізації найсучасніших педагогічних технологій та передових методик. Будь-який фронтальний експеримент в обладнаному таким чином кабінеті практично не вимагає часу на попередню підготовку і може проводитися у будь-який момент уроку – учні отримують весь тематичний набір цілком і можуть самостійно підбирати обладнання відповідно до конкретного експерименту. Створюються оптимальні умови для організації навчальної діяльності у її сучасній інтерпретації.
Мал. 1. Стандартний набір із чотирьох тематичних комплектів фронтального обладнання (зліва направо): з електродинаміки, оптики, механіки та молекулярної фізики
У комплекти включені спеціально розроблені з метою вдосконалення самостійного фронтального експерименту прилади: з механіки – електронний секундомір, з молекулярної фізики – готові набори для вивчення газових законів, набір речовин для плавлення; по електродинаміці – комбіноване джерело живлення (і постійної, і змінної напруги), що дозволяє ставити роботи і по змінному струму (рис. 2). У набір по оптиці входить спеціально розроблений світлодіодний освітлювач серії «L-мікро», що не має аналогів, що дозволяє вимірювати довжину світлової хвилі по дифракційному спектру: на екрані одночасно спостерігаються червоний, синій і білий спектри.
"Комплектний" принцип формування лабораторного обладнання відповідаєвимогам технології навчання фізики на основі методу природничо пізнання, включеного відповідно до вимог стандарту у всі підручники, що входять до Федерального переліку.
У чому суть педагогічної технології природничо дослідження щодо фронтального експерименту? Пояснимо це з прикладу дослідження Г.Галилеем рівноприскореного руху: він припустив, що швидкість пропорційна часу, але методів підтвердження цього припущення в нього був. Тоді він отримав (вивів) слідство: шлях пропорційний квадрату часу (рис. 3), - довів його експериментально і зробив висновок про справедливість вихідного припущення.
Мал. 3. Шлях при рівноприскореному русі пропорційний квадрату часу – площа трикутника під кривою (t)
Як приклад застосування методу Галілея звернемося до лабораторної роботи «Дослідження руху тіла, кинутого горизонтально». Традиційно у цій роботі вимірюють лише швидкість 0 цього тіла, припускаючи, що 1)х= 0t; 2)у=
Ми пропонуємо на початку дослідження перевірити слідство з (1) та (2):у
L2 , – а вже потім вимірювати швидкість (рис. 4). Можна ще більше посилити дослідницький підхід: одночасно запропонувати учням висунути гіпотезу про зв'язокНіL(найбільш ймовірні: 1)Н
Мал. 4. При традиційному підході вимірюють лише 0, а відповідно до методу наукового пізнання необхідно висунути гіпотезу та отримати слідство, справедливість якого вже й перевірити на досвіді
2. Демонстраційний експеримент
• Усі функції, що покладаються на демонстраційний експеримент (забезпечувати відповідно до наукового методу пізнання спостереження явищ, формування понять, вимірюванняфізичних величин, встановлення функціональних залежностей, дослідження процесів, експериментальну перевірку фізичних законів, гіпотез та теоретичних висновків), можуть бути реалізовані при оптимальному поєднанні цифрових засобів вимірювання та комп'ютерних вимірювальних систем із класичними. Це якраз і забезпечують комплекти демонстраційного обладнання серії «L-мікро». Їх ергономічною основою є класна дошка – саме на ній збираються демонстраційні установки з механіки поступального руху, електродинаміки, геометричної оптики та квантової фізики.
Підкреслимо, що демонстраційне обладнання серії «L-мікро» – єдине у вітчизняному навчальному приладобудуванні, яке повністю інтегрується з інтерактивною дошкою (i-дошкою). Наi-дошці можна не тільки відображати інформацію, отриману на комп'ютерному вимірювальному блоці, але й управляти демонстраційною установкою в інтерактивному режимі, чим досягається повнота спостереження явищ, що вивчаються. Приклади демонстраційних установок подано на рис. 5–9, установку для спостереження броунівського руху з використанням мікроскопа та цифрової камери описано на с. 19–21. На рис. 10 показано розроблений В.В.Майєром (ГДПІ, м. Глазов, Удмуртська Республіка) комплект для дослідження властивостей електромагнітних хвиль, який цього року почав випускати серійно НВО «Комп'ютер-Лінк».
Мал. 5. Звичайна та інтерактивна дошки в кабінеті фізики Удільнинської гімназії. На звичайній дошці зібрано демонстраційний ланцюг змінного струму і дано її схема, на i-дошці представлені осцилограми, отримані в ході дослідження з використанням двоканального осцилографа
Мал. 6. Демонстрація явища електромагнітної індукції при падінні магніту крізь котушку таосцилограма ЕРС, що наводиться в ній, отримана за допомогою цифрового осцилографа
Мал. 7. Комплект хвильової оптики з графопроектором як джерело світла
Мал. 8. Графік плавлення, що автоматично викреслюється на екрані або на i-дошці комп'ютерною вимірювальною системою (див. статтю А.В.Новікова в № 15/08. – Ред.)
Мал. 9. Установка для демонстрації явища інтерференції та картина, що спостерігається на екрані
Мал. 10. Комплект на дослідження властивостей електромагнітних хвиль (розробка В.В.Майера)
• Нове обладнання дозволяє повністю реалізувати систему експериментів, необхідних для формування понять та введення фізичних величин. Як приклад розглянемо експеримент, який супроводжує введення поняття прискорення: відповідно до формули необхідно виміряти миттєву швидкість у два послідовні моменти моменту часуt1 іt2, обчислити інтервал між нимиt, а потім прискорення.
До дошки магнітними тримачами (рис. 11) кріпиться напрямна, по якій на магнітній подушці може ковзати платформа з парою стрижнів, рознесених наl= 0,05 м. На цій же напрямній на деякій відстаніLодин від одного (на фотоL= 0,5 м) закріплена пара оптичних воріт. Проїжджаючи повз кожен фотоелемент, пара стрижнів ініціює відповідно два сигнали, які відображаються на екрані комп'ютера. Верхнє число на екрані показує 1 час між проходженням першого і другого стрижнів через перші оптичні ворота, нижнє час 2 між проходженням цих же стрижнів через другі ворота. Число, розташоване в центрі, показує час (t2 –t1). Інтервали 1 та 2 дозволяють обчислити миттєві швидкості в точках, у даному випадку з координатами 30 см та 80 см: 1 =l/1 та 2 = l/2. Оскількиlпостійно, а швидкість зростає, то 2