,
ФОРМИРОВАНИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УМЕНИЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ В ФОРМЕ НАТУРНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
Учебный эксперимент, натурный эксперимент, вычислительный эксперимент, лабораторный практикум по физике.
В статье определяется понятие учебного натурно-вычислительного эксперимента, рассмотрена его структура. Приводится перечень исследовательских действий, формируемых при выполнении лабораторных работ в форме натурно-вычислительного эксперимента. Раскрываются педагогические следствия использования натурно-вычислительного эксперимента в учебном процессе.
M.I. Starovikov, I.V. Starovikova
FORMATION OF RESEARCH SKILLS WITH THE FULFILLMENT OF LABORATORY WORKS ON PHYSICS IN THE FORM OF THE REAL-COMPUTATIONAL EXPERIMENT
Training experiment, real experiment, computational experiment, laboratory workshop in physics.
In the article the concept of training real-computational experiment is determined, its structure is examined. Is given the enumeration of the research actions, formed with the fulfillment of the laboratory works in the form of real-computational experiment. The pedagogical consequences of the use of a real-computational experiment in the training process are revealed.
Натурный эксперимент не заканчивается фиксацией результатов измерений и наблюдений. На следующем этапе осуществляется их обработка и интерпретация. При этом полученные данные представляются в виде таблиц и графиков, производится вычисление косвенно определяемых величин, оцениваются погрешности результатов измерений и их вероятностная значимость, методами регрессионного анализа устанавливаются функциональные связи между величинами и т. д. Совокупный продукт этих действий, зафиксированный на каком-либо носителе (бумажном, электронном), репрезентирует (представляет) и замещает предмет исследования, и, следовательно, может рассматриваться как его модель. Эта модель является эмпирической, поскольку в ней основными элементами являются опытные данные.
Целесообразность описания процесса и результата обработки экспериментальных данных в терминах метода моделирования обусловлена следующим обстоятельством. Обработка результатов измерений и наблюдений при постановке натурного эксперимента обычно сводится к выполнению некоторой фиксированной (ограниченной) совокупности вычислительных и графических процедур, приводящих к достижению цели эксперимента. Моделирование предполагает использование более широкого арсенала средств при работе с массивом информации, полученном в натурном эксперименте, выполнение с ним множества исследовательских действий.
Глубина и содержательность экспериментального исследования существенно повышается, если эмпирическая модель предмета исследования дополняется его теоретической моделью. Теоретическая модель отличается от эмпирической тем, что в ней ведущими элементами являются знания о причинах, механизмах, происхождении, закономерных связях наблюдаемых в опыте явлений. В «точных» науках, например, в физике закономерные связи между величинами чаще всего описываются на языке математических формул, что позволяет исследовать модель математическими средствами в вычислительном эксперименте. Очевидно, возможности для исследования как эмпирической, так и теоретической моделей многократно возрастают, если обработка данных осуществляется на компьютере.
Метод научного или учебного исследования, в котором интегрируются познавательные действия, присущие как натурному, так и реализуемому на компьютере вычислительному эксперименту, будем называть далее натурно-вычислительным экспериментом (НВЭ).
Таким образом, НВЭ представляется как системный объект, структуру которого образуют три компонента: натурный эксперимент, вычислительный эксперимент с эмпирической моделью и вычислительный эксперимент с теоретической моделью. Все эти компоненты связаны между собой двусторонними информационными связями.
В учебном процессе по физике НВЭ может быть реализован на занятиях лабораторного практикума. Нами разработаны и практикуются варианты методик проведения лабораторных работ в форме НВЭ, предусматривающие как фронтальное выполнение работ, так и выполнение работ «по кругу» [1].
В обобщенном плане деятельности по выполнению НВЭ выделяем пять этапов: 1) планирование исследования, 2) построение и исследование теоретической модели; 4) получение первичных данных в натурном эксперименте, 5) построение и исследование эмпирической модели; 6) обработка и интерпретация полученных данных с применением как эмпирической, так и теоретической моделей.
В приведенном плане деятельности построение и исследование теоретической модели предшествуют постановке натурного эксперимента, затем эта модель используется также и после его постановки. Это позволяет решать следующие педагогические задачи:
· ознакомление обучаемых с теорией предмета исследования;
· обнаружение характерных особенностей изучаемого явления и планирование натурного эксперимента таким образом, чтобы эти особенности не остались незамеченными;
· контроль преподавателем готовности обучаемых выполнять натурный эксперимент (при обсуждении результатов моделирования).
Приведенный план выполнения НВЭ реализуется в том случае, когда определение параметров теоретической модели, соответствующих условиям проведения натурного эксперимента, не требует выполнения сложных, трудоемких измерений. Например, для построения теоретической модели зависимости периода колебаний физического маятника в форме стержня от параметра а (расстояние от оси качаний маятника до его центра масс) требуется измерение только его длины. В противном случае теоретическая модель (этап 2) может быть построена и после постановки натурного эксперимента.
Теоретическая модель может использоваться для решения следующих познавательных задач:
· обнаружение с помощью графиков интервалов возрастания и убывания контролируемых величин, линейного или нелинейного характера их связи, положения максимумов или минимумов изучаемых зависимостей и т.п. Например, в работе по исследованию энергетических закономерностей цепи постоянного тока априори можно определить положение максимума полезной мощности P на графике P(R) при R = r (где R и r – соответственно внешнее и внутреннее сопротивление);
· прогнозирование значений искомых величин и оценка точности их определения;
· проверка степени согласованности данных «теории» и «эксперимента», что обычно осуществляется построением соответствующих графиков (и полосы их погрешностей) на одной координатной плоскости. При этом определяются границы применимости теоретического знания к описанию изучаемого явления в условиях той экспериментальной ситуации, в которой оно реализуется.
Очевидно, эмпирическая модель может быть построена только после постановки натурного эксперимента. При построении и исследовании эмпирической модели у обучаемых формируются следующие познавательные действия.
1. Оценка погрешностей косвенно определяемых величин путем варьирования результатов прямых измерений в пределах их погрешностей. Введем в компьютер расчетную формулу 
и вычислим по ней действительное значение искомой величины, подставляя действительные значения величин 
. Зафиксируем полученный результат как 
. Далее произведем вычисление величины y, заменив действительное значение аргумента 
одним из его граничных значений 
или 
, здесь 
– граница погрешности величины 
. Получим несколько отличающееся от 
значение, которое обозначим как 
. Модуль разности 
есть погрешность искомой величины, обусловленная погрешностью определения величины 
. Аналогичным порядком можно найти погрешности 
, вносимые за счет погрешностей каждой из величин 
. Наконец, для нахождения результирующей погрешности 
«просуммируем» ее составляющие («частные погрешности») 
.
Достоинства этого метода состоят в простоте (для его реализации не требуется вычисление производных), точности и сравнительно невысокой трудоемкости. Кроме того, метод отличается наглядностью, он позволяет проследить и проанализировать вклад погрешности каждого фактора в результирующую погрешность.
2. Варьируя результаты измерений величин путем варьирования оценок их погрешностей, можно наблюдать различную степень соответствия «теории» и «эксперимента». Тем самым устанавливаются условия и границы применимости «теории», а также определяются параметры эксперимента, обеспечивающие рельефное проявление изучаемой закономерности.
3. Построение графиков зависимостей определяемых в опытах величин с использованием различных функциональных масштабов и указанием полосы погрешностей, построение аппроксимирующих кривых различными методами, нахождение вида аппроксимирующих функций и их параметров с применением регрессионного анализа, оценка статистической неопределенности коэффициентов аппроксимирующих функций. При анализе графиков можно варьировать данные, по которым построены графики, в пределах их погрешностей; выявлять и исключать промахи (заведомо ошибочные результаты измерений); дополнять имеющиеся данные новыми результатами измерений. Во всех случаях можно сразу же наблюдать изменение хода графиков как результата этих действий.
В заключение отметим следующие педагогические следствия использования в лабораторном практикуме НВЭ, которые раскрывают его высокий образовательный и развивающий потенциал.
1. Преодоление «разрыва» между теоретическими знаниями и реальной действительностью, практикой. В НВЭ с необходимостью актуализируются, объединяются и сопоставляются как теоретические, так и эмпирические знания.
2. «Методологизация» обучения, более полная реализация «концепции исследовательского обучения». Традиционно используемые лабораторные работы, выполняемые в форме НВЭ, приобретают характер исследовательских.
3. Развитие у обучаемых рефлексии благодаря тому, что одно и то же явление изучается с разных сторон, в разных аспектах.
4. Развитие у обучаемых собственно экспериментальных умений. В частности, отметим умение оценивать погрешности измерений, без чего невозможно сделать заключение о применимости теоретической модели к описанию изучаемого явления в условиях данной экспериментальной ситуации.
5. Развитие у обучаемых умений по применению компьютера для реализации математических методов обработки данных. Ряд таких методов ввиду их сложности и трудоемкости без применения компьютера был бы практически нереализуем в условиях учебного эксперимента.
Библиографический список
1. , Старовикова -вычислительный эксперимент в лабораторном практикуме по физике // Открытое и дистанционное образование. 2015. №1(57). С.70-77.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайская государственная академия образования имени В.М. Шукшина»,
Профессор кафедры физики и информатики
Доктор педагогических наук, доцент
e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайская государственная академия образования имени В.М. Шукшина»,
Декан физико-математического факультета
Кандидат педагогических наук, доцент
e-mail: [email protected]
