Архив Галактики

Использование научных статей в качестве основы лабораторного практикума в средней школе

Копосов Д.Г. / 19.02.2014

Когда студентам 3-5 курсов, приходящим на педагогическую практику, задаешь вопрос «Какую научную статью вы читали последний раз?», неожиданно выясняется, что желающих прочесть научные статьи не появляется даже при подготовке курсовых и дипломных работ. Учебники, сборники рефератов и Википедия – вот весь «широкий» спектр источников информации. Когда будущему педагогу даже в голову не приходит мысль о поиске информации в научных статьях – это угрожающая для образования тенденция.

Как пробудить желание учащихся уже в школьные годы открыть и прочесть первую научную статью, почувствовать «живой» язык автора и те открытия, которые в ней скрыты?
Идеальной ситуацией было бы проведение школьниками физического эксперимента, описанного ранее именно в научной статье, изучая ее и используя при этом современное лабораторное оборудование.


В мае 1951 года в журнале «Успехи физических наук» будущий лауреат Нобелевской премии Петр Леонидович Капица опубликовал работу «Маятник с вибрирующим подвесом» [1], в которой описал поведение маятника с вибрирующим подвесом и указал условие устойчивости верхнего положения маятника. Работа П.Л.Капицы дала толчок к развитию вибрационной механики. Впоследствии в работах Ильи Израилевича Блехмана [2] и его коллег был развит общий подход к изучению действия вибрации на механические системы. В интересной и доступной форме для учителей и учащихся школ эти вопросы раскрыты в работе «Вибрация “изменяет законы механики”» [3]. Прекрасный повод прочесть научную статью одного из величайших мировых деятелей науки.

Если точка подвеса маятника является подвижной и совершает колебания, то у маятника, при определенных условиях,
может появиться новое положение равновесия. Такая система впоследствии получила название маятника Капицы. Условие равновесия в вертикальном положении выведено в работе [1]:

и его упрощенный аналог – в работе [4]:
,
где а – амплитуда колебаний, K – радиус инерции, L – длина маятника, f – частота колебаний, ω – угловая частота, g – ускорение свободного падения.

Для создания лабораторной установки для проведения занятий со школьниками использовался образовательный комплекс для изучения робототехники LEGO Mindstorms NXT. Важность использования робототехники для повышения интереса учащихся к математике, физике, инженерному делу и роста уровня обучения студентов отмечается во многих работах.
Немаловажным фактором является и время подготовки установки: учащиеся 10 класса собирают ее обычно за 12-18 минут. Для демонстрации явления устойчивости маятника в перевернутом положении необходимо, чтобы стержень 2 (рис.1) мог свободно совершать вертикальные колебания, а амплитуда колебаний точки подвеса 1 модели маятника могла регулироваться кривошипно-шатунным механизмом 5.


Рис.1. Лабораторная установка для изучения маятника Капицы

Ввиду ограничения скорости вращения оси сервомотора, входящего в комплекс LEGO, необходимо использовать повышающую (1:5) зубчатую передачу (рис.1, 3 – ведущий элемент, 4 – ведомый).

После подготовки лабораторной установки маятника учащимся необходимо запрограммировать ее. Для этого может использоваться, например, среда визуального программирования NXT-G. Интуитивно понятный интерфейс программы позволит учащимся быстро ее освоить. Пример возможной программы для управления установкой и отображающей на экране NXT частоту вращения ведомого элемента (колеса) в оборотах в минуту, представлена на рис. 2.


Рис.2. Программа управления частотой колебаний маятника

Изменяя мощность сервомотора в настройках программы, можно наблюдать два ярких и интересных явления, которые противоречат интуиции: регулярные перевороты маятника (вращение) и колебания в вертикальном направлении (т.е. получается устойчивое верхнее положение маятника). Экспериментальным путем учащиеся находят, что верхнее положение маятника, при скорости вращения ведомого колеса равной
650 об/мин, становится устойчивым.



Заполнив указанную выше таблицу 1, необходимо проанализировать условия устойчивости вертикального положения маятника:

(для классов физико-математического или информационно-технологического профилей)
или

(для учащихся 9 классов или классов, не изучающих углубленно естественно-научные дисциплины).

Комплекс Lego Mindstorms NXT позволит усложнить и разнообразить работу, изменяя длину маятника, амплитуду колебаний и частоту колебаний точки подвеса, что, в свою очередь, откроет возможность рассмотреть более общий случай – параметрический резонанс.

В образовательной среде школ пока нет лабораторных практикумов, в ядре которых – научные статьи выдающихся деятелей науки. Реализация такого проекта и создание соответствующих учебных программ, позволило бы раскрыть не только исследовательский потенциал школьников, но и познакомить с новым для них видом деятельности – чтением научных статей и специализированной научной литературы.
Пусть педагогов не пугает тот факт, что в первый раз учащиеся смогут понять только начало и конец статьи.
Учебный план полного среднего образования сейчас предполагает проведение с учащимися 5-11 классов занятий по исследовательской деятельности, по этой причине разработанные программы найдут свое применение в массовой российской школе.

Библиографический список
1. Капица П. Л. Маятник с вибрирующим подвесом. // УФН, 1951, Т. 64, вып.1 с. 7–20.
2. Блехман И.И. Вибрационная механика. – М.:Физматлит: Наука, 1994. – 394 с.
3. Блехман И.И. Вибрация «изменяет законы механики». // Природа, 2003, № 11.
– С. 42–53.
4. Натанзон А., Плоткин М. Маятник с вибрирующим подвесом. // Квант, 1976, № 2.
– С.28–31