CC BY
129
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
102
УДК 378, 378.4
А. В. Пец
СОВРЕМЕННЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО АТОМНОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ
Предложен проект лабораторного практикума по атомной и квантовой физике как подсистемы непрерывного физико-технического образования.
Proposed project content of the laboratory practical work on atomic and quantum physics as a subsystem of professional education for future engineering physics.
Ключевые слова: цифровые технологии, лабораторный практикум по атомной физике, профессиональное образование.
Key words: digital technologies, laboratory practical work on atomic physics, professional education.
Современная квантовая физика имеет не только огромное мировоззренческое значение — она, главным образом, прикладная наука. Поэтому при построении дидактики курса «Атомная физика» мы позиционируем его как введение в физику квантовых явлений на атомном уровне. Вместе с тем представление о данной дисциплине только как о разделе теоретической квантовой механики неизбежно приведет к дальнейшей девальвации физико-технического образования [1]. В данной работе предложены принципы проектирования лабораторного практикума по атомной физике в системе «Физико-технический лицей — университет».
Один из актуальных путей развития экспериментального практикума по физике — использование цифровых информационных технологий [2]. В педагогике известны исследования по внедрению компьютерных измерительных комплексов в лабораторные практикумы средних (Е. И. Бутиков, В. В. Майер, Л. В. Пигалицин, И. В. Роберт, Г. Н. Уваров и др.) и высших (Ю. К. Евдокимов, А. С. Кондратьев, Р. В. Майер, А. А. Якута и др.) учебных заведений. Однако эти исследования практически не затрагивают вопросы развития лабораторного практикума по атомной и квантовой физике.
Известны виртуальные лабораторные работы по курсу общей физики, поставляемые на компакт-дисках (например, курс «Открытая физика» компании Competentum, Россия). Однако, по существу, речь идет об особой форме представления теоретического знания с последующим вовлечением учащегося в компьютерную интерактивную игру.
Вместе с тем технология виртуальных приборов [3] позволяет, сохранив специфику реального физического эксперимента (наличие, на-
Вестник Балтийского государственного университета им. И. Канта. 2011. Вып. 5. С. 102 — 105.
пример, систематических погрешностей), поставить задачи профильной подготовки школьников и студентов на физико-техническом факультете университета. Блок-схема предлагаемого учебно-методического лабораторного комплекса (УМЛК) по атомной и квантовой физике показана на рисунке.
управление экспериментальной установкой (ОС)
4--------------------------
лабораторная . установка
-Ч'з вп }
ССД
2 Ч*АП }
Банк
выборка экспериментальных
6 5 данных
Internet (Intranet)
управление результаты
7 і 8 измерении
интерфейс пользователя 9 в среде Lab VIEW
off-line
_____L______
USER
103
Рис. Технология виртуальных приборов в физическом эксперименте
Заполнение банка экспериментальных данных происходит во время сеанса on-line, при выполнении учащимся (USER) опытов непосредственно в физической лаборатории. Режим off-line соответствует понятию «дистанционная, или удаленная, лаборатория».
В состав УМЛК входят: 1 — лабораторная установка; 2 — система сбора данных (датчики физических величин, аналого-цифровые преобразователи, устройства согласования сигналов); 3 — виртуальные приборы; 4 — аналоговые приборы; ОС — система управления режимами работы установки, указанными в методических описаниях; 5 — база экспериментальных данных, полученных в сеансе on-line; 6 — система автоматической выборки экспериментальных данных, наиболее близких к настройкам лабораторной установки в сеансе off-line; 9 — интерфейс пользователя, на котором размещены органы управления (7) и контроля (8) физическим экспериментом.
Представленная на рисунке схема дистанционного эксперимента при большом объеме банка данных гарантирует уникальность получаемых каждым из учащихся экспериментальных результатов [4]. Отметим, что современные компакт-диски позволяют хранить необходимые объемы цифровой информации, поэтому в цифровой среде опти-
104
ческого носителя можно скрыть физические источники информации и виртуализовать канал off-line.
Проведенный нами анализ научных исследований и рефератов по истории физики, педагогике и методике профессионального образования позволил выявить следующие дидактические и гносеологические особенности физического практикума по атомной физике в университете.
1. В лабораторном эксперименте происходит не только интеграция, но и трансфер методов, законов, понятий различных наук (физика, техника, информатика, математика и др.).
2. Лабораторные исследования по атомной и квантовой физике способствуют опережающему интеллектуальному развитию студентов в сфере физики, математики, информатики и формированию у них навыков физико-технического моделирования и количественного анализа явлений.
3. Состав лабораторных работ по квантовой физике наиболее оптимально определяется через ключевые эксперименты. Одним из признаков ключевого эксперимента является его исключительная мировоззренческая и прикладная значимость [5]. Частично спектр ключевых экспериментов по атомной физике отражен в истории Нобелевских премий.
4. Имеются основания для выделения восьми ключевых тем экспериментов в университетском практикуме по атомной и квантовой физике: квантовые переходы с участием фотонов, квантование энергии, магнитные резонансы, дифракция волн материи (волновая функция), принцип тождественности, квантовые переходы и законы сохранения, обменное взаимодействие, туннельный эффект.
5. Лабораторные задания по атомной физике имеют многоуровневую образовательную шкалу. В таблицах 1 и 2 приведены примеры дифференциации лабораторных заданий по видам деятельности.
Таблица 1
Опыт Фрака и Герца с неоновой трубкой (фирма PHYWE, Германия)
Обучающиеся Виды деятельности
Учащиеся физикотехнического лицея Построение ВАХ, наблюдение свечения атомарного газа, качественная интерпретация опытов
Бакалавры Статистическая обработка измерений, вычисление энергии перехода, длины волны свечения газа в трубке. Определение функций распределения электронов по энергиям путем численного дифференцирования кривых задержки. Влияние нагрева газа. Определение высших потенциалов возбуждения неона
Магистры Исследование функции распределения электронов по энергии. Исследование взаимодействия электронных пучков с атомами вещества
Таблица 2
Лабораторная работа (НИИЯФ МГУ, Россия [4]) «Спектр гелия и его чисто квантовые особенности»
Обучающиеся Виды деятельности
Учащиеся физикотехнического лицея Знание законов связи спина электрона с принципом Паули, квантово-механическая интерпретация таблицы Д. И. Менделеева
Бакалавры Анализ тонкой структуры энергетических уровней, спектров сложных атомов на основе представлений о: спине, магнитном моменте электрона, неразличимости одинаковых элементарных частиц. Наблюдение и анализ структуры сложных спектров. Оценка энергии обменных взаимодействий в гелии
Магистры Исследование обменных корреляций, спин-орбиталь-ных взаимодействий в многочастичных квантовых системах. Применение цифровых средств и методов для автоматизации обработки оптических спектров атомов, распознавания образов
105
Список литературы
Гладун А. Д., Спирин Г. Г. Нужна ли в России физика инженеру? // Физическое образование в вузах. 2010. Т. 16, № 1. С. 5 — 10.
2. Пец А. В. Цифровые технологии в научных исследованиях как компонент образовательного пространства инженерного вуза // Информатика и образование. 2009. № 1. С. 112 — 113.
3. Евдокимов Ю. К., Линдваль В. Р., Щербаков Г. И. LabVIEW для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора: практическое руководство для работы в программной среде LabVIEW. М., 2007.
4. Учебные лабораторные комплексы по атомной физике. [Электронный ресурс] / НИИЯФ МГУ. Ц^: http://umk.sinp.msu.ru/ (дата обращения 28.02.2011).
5. Тригг Дж. Физика ХХ века. Ключевые эксперименты. М., 1978.
Об авторе
Александр Васильевич Пец — канд. физ.-мат. наук, доц., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, e-mail: [email protected]
Author
Alexander Pets — Dr., I. Kant Baltic Federal University, e-mail: [email protected]
