CC BY
3СОЗДАНИЕ УЧЕБНОЙ ПРОБЛЕМЫ НА ОСНОВЕ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ШКОЛЬНИКОВ
Л. Б. ЛОЗОВСКАЯ, кандидат педагогических наук, доцент кафедры педагогики и управления образовательными системами
ННГУ им. Н. И. Лобачевского 1-.В.1-огоузкауа @ mail.ru
О. А. МОРОЗОВ,
доктор физико-математических наук, профессор кафедры информационных технологий в физических исследованиях ННГУ им. Н. И. Лобачевского оа morozov@nifti.unn.ru
В статье рассматривается применение метода проблемного обучения при организации школьного учебного эксперимента. Проведение физического эксперимента успешно дополняется применением численных методов моделирования физических процессов. На примере организации учебного эксперимента как исследовательского проекта, целью которого является изучение генератора гармонического сигнала на транзисторе, показана возможность эффективного развития компонентов естественнонаучной грамотности школьников.
The article discusses the application of the problem learning method in organizing a school teaching experiment. A physical experiment is successfully supplemented by the use of computer modeling of physical processes. By the example of organizing a teaching experiment as a research project, the purpose of which is to study a harmonic signal generator on a transistor, the possibility of the effective development of components of natural science literacy is shown.
Ключевые слова: исследовательская деятельность, проектный метод, генератор на транзисторе, компьютерное моделирование, эксперимент
Key words: research activities, project method, transistor generator, computer simulation, experiment
Одной из основных современных задач обучения физике являются формирование и развитие естественнонаучной грамотности учащихся. В настоящее время, по данным оценки международного исследования качества образования Р13А-15, результаты учеников российских школ по естественнонаучной грамотности оказались ниже средних международных показателей [6; 7]. Одним из важных компонентов естественнонаучной грамотности становится способность объяснять явления с точки зрения науки, применять методы естественнонаучного исследования, интерпретировать данные и использовать научные доказательства для получения выводов [6].
При обучении физике важную роль в формировании и развитии компонентов естественнонаучной грамотности играет исследовательская деятельность обучающихся. Важно отметить, что в рамках выполнения исследовательских работ школьники не только учатся применять теоретические знания, но и осваивают методологию физики как науки, в том числе знакомятся с методами научного познания, у них формируются экспериментальные навыки, способности анализировать полученные результаты и делать выводы. Наиболее эффективно методологические умения формируются в исследовательской деятельности учащихся при использовании лабораторного и экспериментального оборудования [3]. Вовлечение школьников в активную исследовательскую деятельность способствует их профессиональному самоопределению, дает необходимый начальный опыт для успешного применения проектных исследовательских технологий при обучении в высшей школе [5].
Организацию исследовательской деятельности учащихся мы будем рассматривать на примере изучения транзисторного генератора гармонических колебаний. Создание учебной проблемы в рамках физического эксперимента на лабо-
раторном макете генератора на транзисторе позволяет в полной мере формировать исследовательские умения школьников, являющиеся важным компонентом естественнонаучной грамотности. Учебное экспериментальное исследование генератора на транзисторе может быть выполнено на элективных занятиях в профильных физико-математических классах старшей школы в рамках групповой работы либо как индивидуальное исследовательское задание, например при участии в научном обществе учащихся. Тема данного исследования является для школьника актуальной, поскольку в общеобразовательной школе она не изучается подробно, однако интегрирует в себе несколько учебных тем по физике, таких как «Электромагнитные колебания», «Колебательный контур», «Электрический ток в полупроводниках», «Транзистор», «Генератор» и т. п. Кроме этого, при выполнении данного исследования используются современные информационные технологии. Значимость исследования «Генератор на транзисторе» подтверждается также тем, что содержание данного учебного материала часто вызывает сложности у учащихся, но усвоение необходимо для понимания его практического применения.
Генераторы электрических гармонических колебаний находят широкое применение в различных областях науки и техники— в радиосвязи, промышленной электронике и т. д. Электрическая схема простого генератора гармонического сигнала содержит усилительное устройство, состоящее из полупроводникового транзистора, колебательного контура, цепи положительной обратной связи и источника постоянного тока. Принцип работы генератора основан на поддержании незатухающих колебаний за счет компенсации
В рамках выполнения исследовательских работ школьники не только учатся применять теоретические знания, но и осваивают методологию физики как науки, в том числе знакомятся с методами научного познания.
На примере использования представленного макета генератора рассмотрим, как можно организовать исследовательскую работу школьника с применением элементов проектного, исследовательского и проблемного методов.
потерь мощности в колебательном контуре транзисторным усилителем. Управление транзистором осуществляется по цепи обратной связи синфазно с возбуждаемыми в контуре колебаниями.
Схема транзисторного генератора гармонических колебаний, соответствующая эквивалентной схеме генератора, рассматриваемого в школьном курсе физики, приведена на рисунке 1а (см. приложение). В специальной литературе (например «Радиотехнические цепи и сигналы» И. С. Гоноровского [2], «Генерация и генераторы сигналов» В. П. Дьяконова [4] и др.) широко представлена данная схема генератора, приведены математические модели, позволяющие рассмотреть многие теоретические вопросы работы генератора, такие как условия самовозбуждения, установления и поддержания стационарной амплитуды колебаний, а также методы компьютерного моделирования. Схема представленного на рисунке 1 (см. приложение) генератора достаточно удобна, в том числе для проведения экспериментальных учебно-исследовательских работ школьников.
Для экспериментального учебного исследования используется макет генератора, в котором применена самодельная катушка индуктивности с сердечником из железных пластин с подвижной катушкой обратной связи. Макет позволяет изменять величину взаимоиндукции за счет подвижной катушки связи, величину сопротивления Я, (изменять управляющее напряжение на транзисторе), частоту генерируемого сигнала (добавляя внешние конденсаторы).
На примере использования представленного макета генератора рассмотрим, как можно организовать исследовательскую работу школьника с применением элементов проектного, исследовательско-
го и проблемного методов. Исследовательский проект может представлять собой задачу, связанную с экспериментальной проверкой результатов компьютерного моделирования сигнала на выходе генератора при изменении различных параметров. Кроме того, реализуемое в рамках выполнения исследования компьютерное моделирование с экспериментальной проверкой полученных результатов можно рассматривать как межпредметную связь физики и информатики.
Моделирование работы автогенератора обычно проводят на основе эквивалентной схемы с учетом нелинейной вольт-амперной характеристики транзистора [2]. Решить такую задачу в полном объеме для школьника часто оказывается довольно трудно. Однако ее можно значительно упростить, представив в эквивалентной схеме транзистор в виде переменного сопротивления RT, управляемого напряжением на катушке связи Lz (см. приложение, рис. 16). Зависимость величины этого сопротивления от управляющего напряжения в простейшем случае может быть задана кусочно-линейной функцией (см. приложение, рис. 1в). Данную физическую модель можно описать системой обыкновенных дифференциальных уравнений и соответствующей численной схемой на основе методов Эйлера или Рун-ге — Кутта [1]. В таком виде задачу моделирования можно давать ученикам, имеющим склонность к изучению программирования, способным самостоятельно или с помощью учителя освоить применение численных методов моделирования физических процессов. В более простом варианте для проведения компьютерного моделирования можно использовать программные пакеты схемотехнического моделирования, многие из которых находятся в свободном доступе, или демо-версию, например Micro-Cap.
Элементы проблемного обучения предлагается рассматривать с точки зрения целенаправленного (осознанного) созда-
ния проблемной ситуации в ходе выполнения заданий проекта и/или анализа и сопоставления полученных результатов с теорией. Следует отметить, что в этом случае применение технологии проблемного обучения требует особого отношения и внимания со стороны преподавателя: в конечном итоге учитель должен рассмотреть все выдвигаемые гипотезы, подвести к правильному объяснению и разрешению проблемной ситуации.
При расчете сопротивления Я в цепи колебательного контура должны учитываться как сопротивление проводов катушки индуктивности, так и другие потери энергии, например, вносимые в контур за счет присоединения нагрузки к выходу генератора. В школьном курсе физики обычно пренебрегают влиянием потерь энергии в колебательном контуре на изменение частоты собственных колебаний. Если не принять во внимание этот факт, то не только при планировании эксперимента, но и на этапе анализа результатов выполнения проекта получим требующую разрешения проблемную ситуацию.
В качестве исследовательских заданий для школьников рассмотрим:
/ экспериментальное исследование зависимости частоты колебаний от емкости конденсатора в генераторе на транзисторе;
/ компьютерное моделирование сигнала генератора при различных значениях емкости конденсатора колебательного контура и сопоставление с экспериментально полученной зависимостью;
/ определение значения индуктивности самодельной катушки колебательного контура.
Пример экспериментально полученной зависимости частоты колебаний генератора от емкости конденсатора колебательного контура приведен на рисунке 2а (см. приложение), здесь же представлены результаты моделирования при различных значениях индуктивности катушки Ц. Ни один из графиков компьютерного моделирования не совпадает с эксперимен-
тальной зависимостью при малых значениях емкости конденсатора контура (в области относительно высоких частот сигнала генератора). Просим учеников (пренебрегая потерями, пока умалчиваем об их влиянии на частоту сигнала генератора) рассчитать индуктивность катушки на основе измерения частоты сигнала (в колебательном контуре) генератора при разных значениях емкости конденсатора:
1я4ьС\ Аж ¥ С
В результате вычислений получаем «зависимость индуктивности катушки от частоты колебаний» (см. приложение, рис. 26).
Обращаем внимание, что катушка индуктивности при всех измерениях одна и та же, и просим учеников объяснить полученное «несоответствие с теорией». Можно выдвинуть следующие гипотезы:
✓ изменение индуктивности не происходит, а полученный результат является следствием больших погрешностей измерений в области высоких частот;
✓ не учитывается нелинейность вольт-амперной характеристики транзистора генератора;
✓ изменение индуктивности реально происходит вследствие изменения коэффициента магнитной проницаемости сердечника с ростом частоты;
✓ зависимость частоты генерируемого сигнала связана не с изменением индуктивности, а с потерями энергии в генераторе (см. приложение, рис. 2в), которые могут появляться при перемагни-чивании и возникновении индукционных токов в сердечнике катушки.
Чтобы принять или отвергнуть ту или иную гипотезу, школьнику необходимо найти и проанализировать информацию, полученную сверх школьной программы курса физики, дополняющую известные
При расчете сопротивления Я в цепи колебательного контура должны учитываться как сопротивление проводов катушки индуктивности, так и другие потери энергии, например вносимые в контур за счет присоединения нагрузки к выходу генератора.
Анализируя экспериментальные данные и проверяя соответствие выдвинутых гипотез теории, ученики делают выводы о необходимости учета потерь энергии на частоту электромагнитных колебаний в контуре и, соответственно, на параметры генерируемого сигнала.
ему теоретические положения. В данном случае легко продемонстрировать, что погрешность измерений для исследуемого диапазона частот примерно одинакова, а нелинейность вольт-амперной характеристики транзистора приводит к установлению стационарной амплитуды колебаний и, возможно, к некоторому искажению формы сигнала генератора, но практически не влияет на частоту основного тона.
Другие гипотезы из приведенного выше списка требуют более детального осмысления. Сердечник катушки колебательного контура сделан из железных пластин, и, как ферромагнетик, характеризуется наличием малых (микроскопических) областей самопроизвольного намагничивания (магнитных доменов). Переменное магнитное поле вызывает переориентацию магнитных моментов доменов, скорость которой ограничена. Таким образом, величина коэффициента магнитной проницаемости сердечника и, соответственно, индуктивность катушки должны изменяться с ростом частоты колебаний тока в контуре генератора. Однако анализ литературы по данной теме показывает, что для электротехнических материалов на основе железа для диапазона частот менее 1 кГц магнитная проницаемость меняется слабо, кроме того, с увеличением частоты магнитного поля магнитная проницаемость материалов снижается, что должно приводить к уменьшению измеренной индуктивности, а это не соответствует расчетным данным (см. приложение, рис. 26). В пользу гипотезы о сильном влиянии потерь энергии в колебательном контуре на частоту сигнала генератора свидетельствуют достаточно много теоретических и экспериментальных фактов. Для металлических магнитных материалов (к ним относятся различные марки сталей и сплавы на основе железа)
характерно резкое возрастание потерь энергии на вихревые токи при увеличении частоты магнитного поля: потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты. Для уменьшения потерь из-за вихревых токов сердечник катушки макета генератора необходимо было изготавливать не из обычных железных пластин, а из тонких (толщиной несколько десятков микрон) изолированных друг от друга пластинок. Полные магнитные потери также включают потери на перемагничи-вание (гистерезис). Наличие потерь на перемагничивание характерно и для металлических магнитных материалов, но с увеличением частоты потери на вихревые токи возрастают более интенсивно, чем потери на гистерезис. Таким образом, анализируя экспериментальные данные и проверяя соответствие выдвинутых гипотез теории, ученики делают выводы о необходимости учета потерь энергии на частоту электромагнитных колебаний в контуре и, соответственно, на параметры генерируемого сигнала.
При проведении учебного исследования «Генератор на транзисторе» у обучающихся формируются компоненты естественнонаучной грамотности, выделенные в исследованиях PISA [6], — контекстная, компетентностная, знаниевая. Контекстная компонента проявляется в понимании принципов работы приборов в устройствах радиосвязи и электроники, в измерительной аппаратуре; знаниевая — в осознании фактов и основных положений физической теории электромагнитной индукции, гармонических электромагнитных колебаний, резонанса в цепи переменного тока и т. п., способности получать новые знания на основе имеющихся, применять теоретические знания в экспериментальных исследованиях; компетентностная компонента — в освоении методологии исследования — постановки научного эксперимента (самостоятельно или под руководством) учителя, умении анализировать и интерпретировать полученные результаты, делать выводы, объяснять физические явления.
Рис. 1. Генератор на транзисторе: а — схема генератора; упрощенная модель; в — аппроксимация управляемого сопротивления Я7"
Рис. 2. Результаты выполнения исследований: а — зависимость частоты колебаний генератора от емкости конденсатора;
б — значения рассчитанной индуктивности; резонансные кривые напряжения в колебательном контуре при разных потерях
Приложение
в
ЛИТЕРАТУРА _
1. Бахвалов, Н. С. Численные методы / Н. С. Бахвалов, Н. П. Жидков, Г. М. Кобельков. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — 636 с.
2. Гоноровский, И. С. Радиотехнические цепи и сигналы / И. С. Гоноровский. — М. : Дрофа, 2006. — 720 с.
3. Демидова, М. Ю. Естественнонаучная подготовка школьников: по результатам международного исследования PISA / М. Ю. Демидова, Г. С. Ковалева // Народное образование. — 2011. — № 5. — С. 157—165.
4. Дьяконов, В. П. Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 с.
5. Опыт применения проектного метода обучения в практических занятиях курса «Основы теории управления» / И. В. Кузьмина, JI. Б. Лозовская, О. А. Морозов, В. А. Новиков // Вестник Нижегородского университета. Серия «Социальные науки». — 2016. — № 3. — С. 163—168.
6. Основные результаты международного исследования PISA-2015 //Центр оценки качества образования ИСРО РАО. 2016. — URL: www.centeroko.ru.
7. Пентин, А. Ю. Основные подходы к оценке естественнонаучной грамотности / А. Ю. Пен-тин, Г. Г. Никифоров, Е. А. Никишова // Отечественная и зарубежная педагогика. — 2019. — Т. 1. — №4. — С. 80—97.
ЛАНДШАФТНОЕ ВОСПИТАНИЕ ШКОЛЬНИКОВ: ТЕОРИЯ И ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРАКТИКА *
Статья посвящена проблеме становления ландшафтного воспитания, обусловленной тенденциями экологизации и гуманизации всех уровней современной системы образования в контексте идей коэволюции и устойчивого развития, а также интегративными процессами в современном научном познании. Раскрыты теоретико-методологические основы ландшафтного воспитания, его целевые и содержательно-процессуальные ориентиры. Представлена технология культурно-ориентированных интегральных ситуаций, которая позволяет сформировать у школьников эколого ориентированные способы жизнедеятельности через интегральное рассмотрение культурных ландшафтов.
Н. Ф. ВИНОКУРОВА, доктор педагогических наук, профессор кафедры географии, географического и геоэкологического образования НГПУ им. К. Минина eco@bk.ru
А. А. ЛОЩИЛОВА, кандидат педагогических наук, доцент кафедры общей и социальной педагогики НГПУ им. К. Минина
annet_787@mail.ru
'Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ, проект 19-013-00749. Код конкурса А: «Исследование теоретических основ развития эколого ориентированной жизнедеятельности школьников в культурном ландшафте».
