Содержание к диссертации
Введение
Глава I. МЕТОД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЕ,НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ И ПУТИ ЕГО ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
I. Значение и сущность метода электрических измерений неэлектрических величин 12
2. Дальнейшее совершенствование метода прямых измерений в учебном физическом
эксперименте 33
3. Принцип действия аналоговых вычислительных устройств и их использование в
учебном физическом эксперименте 43
Глава 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЫЧИСЖТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ НА ПРИМЕРЕ УЧЕБНОГО ШЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО МЕХАНИКЕ
I. Учебная экспериментальная установка для проведения экспериментов по кинематике и динамике с измерением скорости и ускорения движущегося тела 57
2. Вспомогательные устройства учебных установок, служащих для измерения механической мощности, работы и кинетической энергии 71
3. Комплект приборов и учебные экспериментальные установки для проведения эксперимента по кинематике и динамике. 81
.Глава 3. МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЧЕБНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК С УСТРОЙСТВАМИ В ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ГО МЕХАНИКЕ
I. Методика использования учебной установки с вычислительными устройствами при изучении основных понятий и законов кинематики
2. Экспериментальные задачи по кинематике и динамике ..120
3. Педагогический эксперимент 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
БИБЛИОГРАФИЯ 154
- Значение и сущность метода электрических измерений неэлектрических величин
- Учебная экспериментальная установка для проведения экспериментов по кинематике и динамике с измерением скорости и ускорения движущегося тела
- Методика использования учебной установки с вычислительными устройствами при изучении основных понятий и законов кинематики
Введение к работе
Разрабатывая программу неуклонного подъема материального и культурного уровня жизни советского народа и всестороннего гармонического развития личности советского человека, коммунистическая партия Советского Союза ставит большие задачи перед педагогической наукой по совершенствованию учебного процесса и всей системы народного образования. Все эти задачи сформулированы в решениях Пленумов ЦК КПСС, в "Основных направлениях реформы общеобразовательной и профессиональной школы".
Как указывается в этих документах, в ходе реформы школы предстоит повысить качество общеобразовательной, профессиональной и трудовой подготовки учащихся. Педагоги должны строить учебный процесс с более широкой опорой на активные формы и методы обучения, шире использовать технические средства обучения в процессе преподавания.
В современную эпоху бурного развития науки и техники важную роль в решении поставленных партией задач по совершенствованию процесса обучения и воспитания, играет физическое образование, поскольку физика является теоретической основой научно-технического прогресса. Усвоение учащимися основ современной науки есть непременное условие формирования человека коммунистического общества.
Совершенствование физического образования невозможно без совершенствования учебного эксперимента. Учебный физический эксперимент составляет органическую часть учебного процесса, поскольку он имеет важное значение как неотъемлемый элемент процесса познания.
На основе учебного физического эксперимента учащиеся знакомятся с физическими явлениями, связягли между ними, с различными методами исследований, применяемыми в физике, приобретают умения и навыки в обращении с измерительной и другой аппаратурой.
На основе учебного физического эксперимента учащиеся практически убеждаются в справедливости изученных ранее теоретических выводов, законов и их применений. Это создает необходимую уверенность в приобретенных знаниях, способствует постепенному формированию научного мировоззрения и накоплению политехнических сведений.
В настоящее время утвердилось мнение, что учебный физический эксперимент должен не только показывать качественную сторону демонстрируемых явлений, но и раскрывать количественные зависимости между величинами, характеризующими изучаемое физическое явление. Проблеме совершенствования учебного физического эксперимента, именно с этих позиций,посвящены диссертационные исследования Ворочаева В.М., Гайдучка Г.М., Грин-баума М.И., Калакина Л.И., Клиха В.Ю., Матвеевой З.Н., Мулев-ского В.Б., Орлова П.П., Перкальскиса Б.Ш., Яковлева В.П. и др. [5.2 ; 5.3 ; 5.4 ; 6.1 ; 6.2 и др.] . В этик работах сформулированы психолого-педагогические требования к приборам, рекомендуемым для проведения опытов, разработан ряд новых приборов, предназначенных для использования в демонстрационном эксперименте и лабораторных работах. Все разработанные приборы позволяют измерять с определенной точностью физические величины и устанавливать существующие между ними функциональные зависимости. Это, в свою очередь, позволило значи- тельно расширить круг демонстрационных опытов и лабораторных работ практически по всем разделам школьного курса физики.
Анализ методической литературы показывает, что в настоящее время существует большое количество приборов и на их основе учебных экспериментальных установок, в которых используются различные способы измерения физических величин. Надо отметить, что в последнее время методисты при разработке тех или иных опытов и учебных экспериментальных установок уделяют большое внимание прямым методам измерения, которые позволяют расширить круг измеряемых величин и увеличить число демонстрационных опытов, повысить их качество и педагогическую ценность [4.2 ; 4.3 ; 4.5 ; 4.6 ; 4.10 ; 4.IIJ и др.
Как известно, прямые методы измерений делятся на методы сравнения и методы непосредственной оценки [ 5.2. ] . Сущность метода непосредственной оценки заключается в том, что оценивается сама измеряемая величина. Измерение делается непосредственно, без дополнительных вычислений.
Одним из эффективных методов прямых измерений, используемых в учебном физическом эксперименте, является метод электрических измерений неэлектрических величин. Анализ работ [4.2 ; 4.6 ; 4.II; 5.4 ; 5.6 и дрД показал, что соответствующие экспериментальные установки состоят из датчиков-преобразователей неэлектрических величин в электрические сигналы,электрических измерительных приборов и вспомогательных устройств (усилителей или соединений /j , R. и d-элементов, обеспечивающих проведение некоторых математических операций). В качестве измерительных приборов используются электрические измерительные приборы с магнитоэлектрической измерительной сие- - 7 -темой, шкалы которых проградуированы в единицах измерения определяемых физических величин.
Однако, вспомогательные устройства в виде LR- или RC-цепей, способные, как известно, выполнять операции дифференцирования и интегрирования электрических величин, обладают рядом существенных недостатков и один из них - большие погрешности при проведении этих операций и, как следствие, большие погрешности в измерении физических величин, характеризующих изучаемое явление [3.2 ; 3.4 ; 3.24 ; 3.48].
Необходимость более широкого внедрения в практику преподавания метода прямых измерений и несовершенство предложенных установок делает актуальным дальнейший поиск путей совершенствования учебного физического эксперимента.
В настоящее время в промышленности широко используются электронные устройства способные проводить различные математические операции над электрическими величинами. Такие устройства нашли свое применение в аналоговой вычислительной технике [3.4 ; 5.53 ; 3.59]. Они способны проводить операции сложения, вычитания, умножения, деления, возведения в степень, дифференцирования, интегрирования, а также воспроизводить различные функциональные зависимости между электрическими величинами с большой точностью. Современные вычислительные устройства, используемые в аналоговой вычислительной технике, строятся на основе интегральных операционных усилителей. Они надежны в работе, потребляют малое количество электроэнергии, компактны, могут быть изготовлены на занятиях технических кружков силами учащисхя..
Идея нашего исследования состоит в том, чтобы в учебный физический эксперимент,для проведения более качественных прямых измерений различных физических величин, ввести элемен- ты современной вычислительной техники. Применение в учебном эксперименте приборов, разработанных на основе использования современной вычислительной техники, и соответствующая методика'применения этого учебного оборудования,позволят значительно повысить качество демонстрационных опытов и лабораторных работ, увеличить их число,практически, по всем разделам школьного курса физики, активизировать процесс обучения и привести его в соответствие с требованиями реформы школы.
Целью настоящего диссертационного исследования является исследование возможностей применения в учебном физическом эксперименте элементов вычислительной техники, разработка учебного оборудования по механике на основе использования электронных вычислительных устройств и разработка методики применения этого оборудования в учебном процессе.
В соответствии с целью исследования в диссертации поставлены следующие задачи: провести анализ демонстрационного эксперимента по механике и определить перспективы его развития; разработать приборы и учебное оборудование, позволяющие проводить прямые измерения механических величин непосредственно в процессе демонстрации опытов; разработать методику использования новых приборов и экспериментальных учебных установок в учебном эксперименте по механике.
Поставленные задачи потребовали: изучения литературы по теме исследования; изучения передового опыта работы учителей и преподавателей педагогических институтов; проведения анкетирования, бесед и наблюдений за учебным процессом в школах; разработки, расчета и изготовления приборов, необходимых для проведения педагогического эксперимента; разработки методики их использования на уроках; проведения педагогического эксперимента; обсуждения результатов исследования среди широких кругов педагогической общественности.
Настоящее диссертационное исследование проводилось в несколько этапов. На первом этапе был проведен теоретический анализ существующего учебного физического эксперимента по кинематике и динамике, демонстрационных установок,в основе работы которых лежит метод электрических измерений неэлектрических величин.
С целью выявления,наиболее подходящих для использования в учебном физическом эксперименте,проверялась работа различных датчиков-преобразователей и других вспомогательных устройств ; демонстрационных установок по механике.
На втором этапе работы были усовершенствованы датчики-преобразователи реостатного и индукционного типов. Разработаны, сконструированы и изготовлены, применительно к учебному эксперименту, аналоговые вычислительные устройства (дифференциатор, интегратор, сумматор-вычитатель, квадратор и запоминающее устройство), предназначенные для использования в качестве вспомогательных устройств в учебных экспериментальных установках по механике. На этом же этапе разрабатывалась методика применения экспериментальных установок с вычислительными устройствами в учебном эксперименте по механике. Проводилась лабораторная проверка разработанного оборудования на занятиях по методике пре- подавання физики со студентами МГПИ им.В.И.Ленина, а также -обсуждение разработанной методики и работы учебных экспериментальных установок с вычислительными устройствами в широком кругу педагогической общественности: на научных конференциях в МГПИ им.В.И.Ленина, на семинарах физического факультета МГПИ им.В.И.Ленина, на конференциях учителей физики средних школ.
На третьем этапе проводилось внедрение разработанных учебных экспериментальных установок с вычислительными устройствами в учебный процесс. На этом этапе проверялась работа учебных экспериментальных установок с вычислительными устройствами в условиях средней общеобразовательной школы, уточнялась методика применения разработанного оборудования и техника проведения учебного эксперимента по механике на учебных установках с вычислительными устройствами.
Кроме этого проводилась экспериментальная оценка созданного оборудования. В результате прибор для измерения скорости и ускорения внедряется в производство и внесен в список обязательного школьного оборудования. На индукционный датчик скорости этого прибора оформлено авторское свидетельство.
Научная новизна проведенного исследования заключается в том, что впервые обоснована необходимость применения в учебном физическом эксперименте приборов, сконструированных на основе современных электронных вычислительных устройств и показаны пути дальнейшего развития учебного эксперимента на основе внедрения этих устройств.
Практическая значимость проведенного исследования заключается в том, что: - II - разработан, изготовлен и внедрен в учебный процесс комплект приборов по механике для проведения учебного эксперимента с использованием современных вычислительных устройств ; разработана методика применения новых приборов в учебном процессе.
На защиту выносятся:
Обоснование необходимости использования в учебном процессе приборов, сконструированных на основе вычислительных электронных устройств.
Комплект приборов по механике, сконструированный на основе вычислительных устройств.
Методика использования этих приборов в учебном физическом эксперименте.
Значение и сущность метода электрических измерений неэлектрических величин
Учебный эксперимент представляет собой отражение научного метода изучения физических явлений. Ему должны быть присущи основные элементы физического эксперимента, по которым можно получить представление об экспериментальном методе исследования.
В настоящее время сложилась вполне определенная система учебного физического эксперимента, которая включает в себя следующие четыре вида: демонстрационные опыты, фронтальные лабораторные работы, физический практикум и домашние опыты и наблюдения [3.7 , 3.8].
Учебный физический эксперимент непрерывно развивается. Как показано А.А.Покровским в работе [3.36] , это развитие происходит по трем основным направлениям:
I/ расширяется возможность применения в демонстрационных и лабораторных опытах различных измерений;
2/ разрабатываются новые приборы, с помощью которых можно ликвидировать "белые пятна" в учебном эксперименте ;
3/ увеличивается применение блочной системы оборудования в демонстрациях и лабораторных работах.
Как показали исследования С5.2; 5.3; 5.6; 6.1], одно из направлений совершенствования учебного физического эксперимента связано с более широким использованием прямых измерений физических величин.
Как известно, все методы измерений, используемые в эксперименте, можно разделить на прямые и косвенные. Особый интерес в преподавании представляют методы прямых измерений (измерение температуры различными термометрами, силы тока амперметром, напряжения вольтметром и т.п.) т.к. при помощи этих методов можно измерить величины, характеризующие изучаемое явление, непосредственно в процессе демонстрации опыта, не прибегая к часто излишним арифметическим вычислениям, как например поступают при определении скорости движения с помощью записи самого движения тела. При этом по измеренным перемещению и времени вычисляют по формуле tX = " скорость движущегося тела. Как показывают исследования, см. [5.2; 5.3; 5.6] использование в учебном эксперименте методов прямых измерений физических величин интенсифицирует процесс обучения, делает его более насыщенным, сулит значительную экономию учебного времени, позволяет учащимся, в процессе наблюдения и исследования изучаемого явления, уделять больше времени на более глубокое осмысление полученных в результате эксперимента результатов.
Измерение электрическими методами неэлектрических величин характерно для современной техники неестественно, что знакомство учащихся с этими методами играет большую роль в расширении их политехнического кругозора. Кроме этого, применением этого метода достигается значительное расширение круга величин, доступных для измерения в школьном учебном физическом эксперименте, а в ряде случаев обеспечивается измерение некоторых величин, проводимое в настоящее время другими косвенными методами.
Учебная экспериментальная установка для проведения экспериментов по кинематике и динамике с измерением скорости и ускорения движущегося тела
Как мы уже указывали в I первой главы, демонстрационная установка, служащая для изучения законов кинематики и динамики, должна иметь датчики координаты (или скорости) для того, чтобы можно было с помощью вычислительных устройств измерить скорость или ускорение тела. Таким образом, вспомогательное устройство та кой установки должно содержать датчик-преобразователь и вычислительное устройство - дифференцирующий усилитель.
В качестве датчиков-преобразователей в учебном физическом эксперименте, как показало исследование, лучше всего использовать датчик координаты (датчик реостатного типа) или датчик скорости (датчик индукционного типа). Эти датчики просты и надежны в работе, практически не оказывают никакого влияния на движущиеся тела, удобны при сборке учебных установок и при хранении, не занимают много места, легки - масса не более 0,2 кг. Все эти особенности дают веские преимущества указанным датчикам перед датчиками других типов.
Конструкция датчика реостатного типа представлена на рис.19. Датчик координаты изготовлен на металлическом основании (I) длиной от 1,5 м до 1,75 м. Такая длина наиболее подходит при проведении учебного школьного эксперимента по кинематике и динамике: во-первых, такая длина наиболее подходит для установки,собираемой для демонстрации опытов на демонстрационном столе, во-вторых, при такой длине обеспечивается достаточное время для наблюдения за процессом движения тела (около 4с) и измерения параметров движения.
С помощью изолирующих прокладок (2) на металлическом основании укрепляют проволоку (3) диаметром 0у1 0,2 мм, изготовленную из материала с высоким удельным сопротивлением. Параллельно с этой проволокой укрепляют контактный медный провод (4). Проводники (3) и (4) соединены с клеммами А,В,С штекке-ров (5). Для отсчета координаты движущегося тела на металлическом основании устанавливают шкалу (б) с сантиметровыми делениями. Отметим, что при необходимости на металлическом основании можно установить два проводника (3) и контактных провода (4), таким образом получим два датчика.
Как показало исследование, для удовлетворительной работы датчика и всей учебной установки по механике, полное сопротивление реостатного датчика должно лежать в пределах 30 50 Ом, при напряжении на датчике не более 1,5 В. В этом случае установка с реостатным датчиком может работать без перерыва и ущерба для конструкции в течение 30 f 40 минут.
Работает датчик следующим образом. Через клеммы штекке-ров (5) на проводник (3) подают напряжение \Хо порядка I В. На датчик устанавливают металлическое тело, движение которого изучают. Оно осуществляет контакт между проводником (3) и контактным проводом (4), т.е. выполняет роль своеобразного ползунка в реостатном датчике. При перемещении тела вдоль датчика сопротивление проводника (3) будет меняться пропорционально перемещению тела. В этом случае на выходе датчика можно за -60 регистрировать напряжение (при условии, что сопротивление нагрузки, к которой подключают датчик как потенциометр, должно быть во.j много раз больше полного сопротивления датчика) прямо пропорциональное смещению тела вдоль датчика, т.е. координате движущегося тела. Если за начало отсчета принять начало датчика координаты, то получим известное соотношение Ue т , где полная рабочая длина датчика, X - координата движущегося тела, отсчитываемая от начала датчика координаты.
Что касается датчика скорости индукционного типа, то рассмотренный ранее датчик в виде соленоида обладает существенными недостатками. Мы предлагаем изменить форму датчика и изго-тавлять его в виде контура треугольной формы (см.рис.20).
Контур (2) в виде равнобедренного треугольника ABC намотан на немагнитном основании (I) из алюминиевого сплава, длиной порядка 1,6 м. Размеры контура (2) : АС = ВС 1,5 м, АВ не более чем радиус магнита (3). Контур имеет 40 4-60 витков медного провода ПЭЛ диаметром 0,15 0,18 мм. Выводы контура припаиваются к клеммам "а" и "б", к которым с помощью проводников подключают электрический измерительный прибор.
Методика использования учебной установки с вычислительными устройствами при изучении основных понятий и законов кинематики
Использовать демонстрационную установку,предназначенную для демонстрации опытов по кинематике, мы предлагаем в 8-Ю классах как при изучении нового материала, так и при повторении пройденного.
Как показывают результаты проведенного исследования, впервые познакомить учащихся с установкой для измерения скорости можно на следующем уроке после введения понятия скорости равномерного движения, при проверке усвоения изученного материала, его закреплении. Таким же образом поступают и в дальнейшем -по мере изучения нового материала знакомят учащихся с устройством установок, со способами измерения физических величин. Например, когда учащиеся познакомились с понятием скорости и закрепляют изученный материал, учитель знакомит их с методом измерения скорости с помощью вычислительного устройства следующим образом. Собрав демонстрационную установку и показав все ее основные элементы,учащимся сообщают,что датчик координаты работает как реостат,с которым они познакомились в седьмом классе. Роль ползунка выполняет движущееся тело (металлические цилиндр или шарик). Далее говорят о том, что напряжение, регистриуемое на выходе датчика, прямо цропорционально координате тела, отсчи -104 тываемой от левого конца датчика. Эту зависимость демонстрируют учащимся. Для этого датчик координаты подключают к источнику питания, а выход - к гальванометру. На датчике устанавливают шарик. После этого учащимся показывают, что при изменении координаты шарика напряжение,измеряемое на выходе датчика, изме-, няется пропорционально изменению координаты шарика. Затем учащимся сообщают, что вместо измерительного прибора на выходе датчика координаты можно включить вычислительное электронное устройство. Оно позволяет измерить скорость движения тела по датчику координаты. В этом учащихся убеждают на опыте.
Опыт демонстрируют после введения понятия скорости равномерного движения. Цель опыта - показать учащимся как с помощью установки и вычислительных устройств измеряют скорость равномерного движения тела и кроме того, показать, что скорость тела, движущегося равномерно,есть величина постоянная.
Датчик координаты устанавливают горизонтально. Все приборы подключают так, как показано на схеме, изображенной на рис.37. Опыт проводят следующим образом. Устанавливают металлический шарик или цилиндр в начале датчика и толчком сообщают ему некоторую скорость. Обращают внимание учащихся на показания прибора, измеряющего скорость движения. Учащиеся видят, что прибор регистрирует постоянную скорость шарика.
