SWorld – 18-29 June 2013 http://www.sworld.com.ua/index.php/ru/conference/the-content-of-conferences/archives-of-individual-conferences/june-2013

MODERN PROBLEMS AND WAYS OF THEIR SOLUTION IN SCIENCE, TRANSPORT, PRODUCTION AND EDUCATION 2013

УДК 53:004:378

Мястковська М.О.

УДОСКОНАЛЕННЯ САМОПІДГОТОВКИ СТУДЕНТІВ ДО

ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З МОЛЕКУЛЯРНОЇ ФІЗИКИ

Кам’янець-Подільський національний університет імені Івана Огієнка,

Кам’янець-Подільський, вул. Уральська, 3, 32300

UDC 53:004:378

Myastkovska M.O.

AUTOMATION OF THE CALCULATION PROGRAMS

Kamenets-Podolskiy national university Ivan Ohienka,

Kamenets-Podolskiy Uralska 3, 32300

У статті розглянуто удосконалення самопідготовки майбутніх учителів

фізики до лабораторних робіт з молекулярної фізики.

Ключові слова: самопідготовка, студент, молекулярна фізика,

лабораторна робота, програми-симулятори, мережа Інтернет.

In the article the self-improvement of future teachers of physics for laboratory

work in molecular physics.

Key words: self, student, molecular physics, laboratory work, software

simulators, Internet.

Проблема підготовки та проведення фізичного експерименту є завжди

актуальною з огляду на безперервну зміну і оновлення досягнень науки та

техніки. Відповідно до цих змін коригуються зміст освіти, методики

використання новітніх технологічних засобів та інформаційних джерел.

Широке застосування інформаційно-комунікаційних технологій в навчальному

процесі викликає потребу в наповненні нового інформаційного середовища

конкретним навчальним матеріалом. Широкі можливості відкриваються для

проведення фізичного експерименту в умовах використання в навчанні

комп’ютерних моделей.

Водночас, сучасному навчальному процесу з курсу молекулярної фізики у

виші, з його переважно традиційною методикою навчання властива низка

недоліків, через що він є недостатньо ефективним. І, як результат, маємо, що

такий підхід не повною мірою забезпечує досягнення головної мети навчання

фізики – “формування у студентів фізичного мислення”. А це призводить до:

порушення принципу єдності фізичного знання; втрати міжпредметних зв’язків

між фізикою та багатьма загально-технічними дисциплінами; невміння

студентів використовувати набуті знання [1].

Молекулярна фізика вивчає будову і властивості речовин на основі їх

молекулярної структури. Під час вивчення молекулярної фізики студенти

ознайомлюються з будовою, структурою і властивостями деяких матеріалів, з

особливостями агрегатних змін, розглядають залежності кількісних

характеристик від фізико-механічних властивостей речовин та їх будови.

Молекулярна фізика слугує науковою основою сучасного матеріалознавства,

вакуумної технології, порошкової металургії, холодильної техніки,

нанотехнологій.

Особливу увагу слід приділити удосконаленню методики проведення

лабораторних робіт з молекулярної фізики. Не можна недооцінювати

важливість цієї форми занять, адже саме лабораторні роботи сприяють

виробленню навичок використання приладів, глибшому розумінню фізичної

суті явищ, навчають поетапно виконувати експериментальні дослідження.

Мета лабораторного практикуму з молекулярної фізики – допомогти

майбутнім учителям фізики глибше зрозуміти основні фізичні закони та явища

природи, навчити самостійно користуватися основними вимірювальними

приладами, познайомитись з методами вимірювань різних фізичних величин,

прищепити їм навички і бажання до експериментальної роботи. Проведений

нами педагогічний експеримент показав, що студенти глибше засвоюють саме

той матеріал, який вони вивчали самостійно з допомогою викладача.

Тому постає питання: «Як удосконалити самопідготовку студентів до

лабораторних робіт?»

Проведений нами констатуючий експеримент показав, що інколи студенти

приходять на лабораторні заняття непідготовленими. Уже безпосередньо на

занятті вони вперше бачать інструкцію до лабораторної роботи, починають її

читати, приступають до її виконання, не розуміючи, що і для чого вони

роблять. Таким чином, студент ставиться до таких занять, як до другорядних,

неважливих.

У зв’язку з цим виникає проблема розробки методики самопідготовки

студентів до лабораторних занять з використанням програм-симуляторів.

Розглянувши дослідження у напрямку використання програм-симуляторів

(М.Головко, Н.Дементієвської, В.Яремчук, Н.Кравчук) [2, 3, 5], ми пропонуємо

свій підхід до цього питання: самопідготовка студентів до лабораторних занять з

молекулярної фізики з використанням програм-симуляторів, які доступні через

мережу Інтернет. Не досить розглянутим також залишається питання

стимулювання самостійної підготовки студентів до лабораторної роботи.

Студент має приходити підготовленим до виконання лабораторної роботи,

тому перед викладачем постає завдання стимулювати роботу студента у цьому

напрямку. В умовах організації навчального процесу за кредитно-модульною

системою одним зі стимулів можуть бути додаткові бали за швидке,

безпомилкове виконання та захист лабораторної роботи ще до завершення

заняття (наприклад, першим трьом студентам).

Як показує проведений експеримент, студентам самостійно важко

відшукати оптимальний алгоритм організації своєї роботи. А через невміння

оперативно і, водночас, ґрунтовно підготуватись до лабораторної роботи вони

втрачають інтерес до лабораторних занять, зводять процес підготовки звіту про

виконану лабораторну роботу до простого переписування, без самостійного

опрацювання.

Популярними серед студентів є готові віртуальні моделі з високим рівнем

інтерактивності. Такі віртуальні моделі можуть бути доступними в мережі

інтернет і найчастіше не потребують завантаження спеціальних програм на

комп’ютери користувачів для проведення віртуального експерименту.

Ми розглядаємо використання безкоштовного віртуального онлайнового

середовища для використання моделей і симуляцій під час вивчення

молекулярної фізики.

Симуляція є процесом розробки моделі реальної чи уявної системи і

проведення експериментів з моделлю [8]. Мета імітаційних експериментів –

зрозуміти поведінку системи й оцінити стратегії для функціонування системи.

Переваги моделювання явищ і процесів в мережі Інтернет:

– матеріали постійно оновлюються та удосконалюються;

– доступність сайтів;

– такі матеріали можуть бути використані як для аудиторних занять,

так і самостійного вивчення;

– віртуальні симуляції є ефективними для наочного представлення

процесів і явищ, які або неможливо відтворити в умовах аудиторного

експерименту, або є шкідливими для проведення;

– матеріали віртуальних демонстрацій можуть бути використані як

для індивідуальної роботи, так і для виконання групою студентів.

Використання симуляцій викликає у студентів зацікавленість і схильність

до експериментування, проведення реальних дослідів, проведення самостійних

досліджень, що сприяє формуванню високої пізнавальної мотивації до

вивчення молекулярної фізики.

Водночас, самі симуляції не стимулюють навчання. Тому важливим є

аудиторний фізичний експеримент, під час якого студент через дію навчається,

а у цьому йому допомагає викладач (відбувається «живе спілкування» між

студентами та викладачем).

Національний інститут безперервної освіти Великобританії

(http://www.niace.org.uk/) в одному зі своїх досліджень вивів формулу: «Ми

запам'ятовуємо тільки 20 % із того, що ми прочитали, і до 90 % із того, що ми:

прочитали, побачили, почули та зробили, тобто коли ми отримали досвід через

дію». Таке навчання дістало назву «навчання дією» ("learning by doing"). [3]

Використання програм симуляторів для самопідготовки до занять навчить

студента самостійно застосовувати здобуті знання, навички та вміння у

подальшій навчальній та практичній діяльності.

Використання освітнього середовища з молекулярної фізики дозволяє

розміщувати інструкції до лабораторних робіт, контрольні запитання, тести,

посилання на інші сайти з розробками, програмами-симуляторами.

Розглянемо алгоритм самопідготовки студентів до лабораторних робіт з

молекулярної фізики, які розміщені на сайті навчальної дисципліни:

1. Відповідно до складеного графіка студент розпочинає підготовку до

виконання лабораторної роботи, як правило за тиждень до заняття з

ознайомлення з теоретичними відомостями відповідної теми.

2. Студент ознайомлюється з експериментальною установкою, порядком

виконання роботи.

3. Студент ознайомлюється з вказівками до виконання роботи.

4. Студент дає відповіді на питання допуску до виконання роботи.

5. Студент починає виконувати лабораторну роботу за допомогою програми-

симулятора.

6. Студент опрацьовує результати та заповнює таблицю (як електронну, так і

в зошиті).

Розглянемо реалізацію даного алгоритму на прикладі лабораторної роботи

«Вимірювання коефіцієнта в’язкості та довжини вільного пробігу молекул

повітря».

Прилади і матеріали

1. Лабораторна установка для визначення коефіцієнта внутрішнього тертя і

середньої довжини вільного пробігу молекул повітря.

2. Секундомір. Ознайомлення з теоретичними відомостями

В рівноважному стані для ідеального газу характерним є певний розподіл

молекул за швидкостями. Цей розподіл вперше теоретично встановив

Максвелл.

За рахунок хаотичного руху і зіткнень молекул відбувається вирівнювання

неоднорідностей густини, температури, швидкості впорядкованого

переміщення окремих шарів газу, якщо він виведений з рівноважного стану.

При цьому виникають особливі процеси – явища переносу: в’язкість,

дифузія, теплопровідність. І хоча, виходячи з основного рівняння кінетичної

теорії газів kTmv23

2

2

= одержуються великі чисельні значення швидкості

молекул, однак явища переносу не сприяють миттєвому поверненню газу до

рівноважного стану саме за рахунок великої кількості зіткнень молекул в

одиницю часу.

В роботі досліджується в’язкість (внутрішнє тертя) – властивість газу

чинити опір переміщенню одного його шару відносно іншого.

З метою встановлення закономірностей цього явища умовно виділимо, два

дуже тонких шари газу, які рухаються з швидкостями u і uu ∆+ . Відстань між

шарами – ∆l. Введемо поняття градієнта швидкості:

Рис. 1

N

u+∆u

∆l

S

S

=∆∆

=→∆ l

ugradul 0lim

dldu

, який показує зміну швидкості течії газу в напрямі,

перпендикулярному до неї.

Молекули газу, здійснюючи крім впорядкованого руху з швидкостями

uu ∆+ і u , ще й хаотичний тепловий рух з середньою арифметичною

швидкістю ϑ , переходять з одного шару в інший. Кожна молекула масою m

при цьому переході змінює кількість руху на m u∆ . Якщо помножити m u∆ на

кількість молекул, які щосекунди переходять з одного шару в інший, дістанемо

сумарну зміну кількості руху, що відбувається в кожному шарі за одиницю

часу. За другим законом динаміки така зміна кількості руху системи

визначається прикладеною до неї зовнішньою силою. Таким чином,

перенесення кількості руху від одного шару до іншого сприймається як сила

тертя F , що діє на певний шар з боку сусідніх. Ці міркування призводять до

закону Ньютона для в’язкості:

F= sdlduη , (1)

де η – коефіцієнт внутрішнього тертя (динамічної в’язкості), який

залежить від природи газу.

Експериментально визначити η можна при ламінарному перетіканні газу

через вузький гладкий циліндричний капіляр під дією різниці тисків ∆р на його

кінцях. Із закону Пуазейля для аналогічного потоку нестисливої рідини маємо:

V = lt

pr8

1 4∆πη

, (2)

де r і l відповідно радіус і довжина капіляра; ∆р – різниця тисків на його

кінцях; V – об’єм газу, що проходить через капіляр; t – час проходження цього

об’єму газу. З формули (2) маємо:

η =lv

ptr8

4∆π, (3)

Внутрішнє тертя між шарами газу в капілярі виникає завдяки

параболічному розподілу швидкостей в його перерізі (рис.2). Цей профіль

швидкостей встановлюється через "прилипання" шару, що прилягає до стінок і

поступове зростання швидкості шарів до максимальної посередині капіляра.

Після встановлення руху газу через капіляр сила в’язкості, що діє на

елементарний циліндричний об’єм і прикладена до бокової поверхні циліндра,

зрівноважує різницю сил тиску, що діють на його основу.

Ламінарність течії газу, що встановилась у заданому капілярі,

перевіряється шляхом розрахунку числа Рейнольдса. Щоб можна було

застосовувати формулу Пуазейля для газу, потік його крізь капіляр повинен

бути не тільки ламінарним, а й здійснюватись при невеликому значенні ∆р

(різниця висот рідини в манометрі порядку 2–3 см). За цих умов газ можна

вважати близьким до нестисливої рідини і до нього можемо застосовувати

закон Пуазейля.

Вимірювання макропараметрів, що входять у формулу (3), дозволяє

виходячи з молекулярно-кінетичної теорії визначити інші коефіцієнти

переносу, а також такий мікропараметр як середня довжина вільного пробігу

молекул <l>:

pl η86,1=

µRT

, (4)

де р, Т, µ – відповідно тиск, температура і молярна маса газу (повітря).

Експериментальна установка

Схема установки для вимірювання коефіцієнта динамічної в’язкості і

Рис.2

довжини вільного пробігу молекул повітря зображена на рис. 3.

Рис. 3. Експериментальна установка

1. Трубка, через яку засмоктується повітря.

2. Висушувальний фільтр з CaCl2

3. Капіляр (r = 100 мм,l = 0,40 мм).

4. Аспіратор.

5. Водяний манометр.

6. Кран аспіратора. Коли з аспіратора 4 витікає вода, то внаслідок зниження тиску в капіляр 3

засмоктується повітря, яке проходить попередньо через осушувальний фільтр 2

із CaCl2. Виходячи з попередніх розрахунків, встановлюємо з допомогою крана

аспіратора таку різницю тисків за манометром 5, яка відповідає ламінарній течії

повітря в капілярі і дозволяє ще вважати досліджуваний газ нестисливим.

Для самоконтролю підготовки до лабораторного заняття доцільно

використовувати контрольні запитання, тести.

Контрольні запитання і завдання

1. Дати молекулярно-кінетичне тлумачення явищ переносу в ідеальному

газі і записати їх аналітичні вирази.

2. Що таке ефективний діаметр молекули?

3. Що таке середня довжина вільного пробігу молекул газу?

4. Як у роботі визначити середню довжину вільного пробігу, коефіцієнт

внутрішнього тертя, ефективний діаметр молекул?

5. Як залежить середня довжина вільного пробігу молекул газу від тиску і

температури?

6. Накреслити профіль швидкостей течії в циліндричному капілярі при

сталій різниці тиску на кінцях капіляра.

7. Охарактеризувати межі застосування формули Пуазейля в даному методі.

8. Як залежить коефіцієнт внутрішнього тертя газів від тиску і температури?

9. Чому при витіканні води з балона з деякого моменту встановлюється

постійна різниця тисків в манометрі?

10. Порівняти теоретичні і розраховані за експериментальними даними

значення ефективного діаметра молекули, числа зіткнень за 1 с, коефіцієнта

самодифузії повітря.

Приклади запитання допуску [6]

Для того, щоб завантажилась програма-симулятор, необхідно правильно

дати відповіді на 5 запитань.

Рис. 4. Приклади запитання допуску

Рис. 5. Результати проходження питань допуску

Якщо неправильна відповідь хоча б на одне, тоді програма повертає на

початок.

Рис. 6. Повідомлення про повторне проходження тетсу допуску

Проведення експерименту

1. Відкрити кран аспіратора. Вимірювання починати після встановлення

стаціонарної течії повітря через капіляр, що фіксується за відсутністю змін у

показах манометра Δp = ρgΔh. Вимірювання тривають до витікання в мірну

посудину 1-1,5 л води.

2. Температура і зовнішній тиск фіксу.ться за показами лабораторного

термометра і барометра.

3. За формулами (1) і (2) обчислити η і <l>.

4. Дослід повторити 3-5 разів.

5. Оцінити результати вимірювань і зробити висновок про методику і

результати вимірювань.

Проведення експерименту з використанням програми-симулятора [6]

Рис. 7. Вікно програми-симулятора лабораторної роботи

Можна керувати елементами, змінювати параметри.

Рис. 7. Вікно програми-симулятора лабораторної роботи після зміни

параметрів

Література для підготовки до лабораторної роботи

1. Дущенко В.П., Кучерук І.М. Загальна фізика, Фізичні основи механіки.

Молекулярна фізика і термодинаміка. – К.: Вища школа, 1987. – С.263-282.

2. Кикоїн І.К., Кикоїн А.К. Молекулярна фізика. – К.: Рад.шк. 1968.

3. Загальний курс фізики: Навч. посібник для студентів вищих техн. і пед.

закладів освіти / Кучерук І.М., Горбачук І.Т., Луцик П.П.; За ред. І.М.

Кучерука. – К.: Техніка, Т.1., 1999.

Таким чином, студенти вчаться самі досліджувати фізичні явища,

визначати фізичні величини.

Виконання віртуальних лабораторних робіт сприяло не тільки підвищенню

рівня засвоєння студентом відповідного навчального матеріалу, а й підвищенню

рівня безпеки проведення робіт із реальними приладами.

Звичайно, електронна версія не може повністю замінити фізичний експеримент,

але цікавим є той факт, що в процесі моделювання створюються умови для

активного самонавчання студента. В процесі самонавчання студенти крім

запропонованих симуляторів можуть самостійно шукати в мережі Інтернет подібні

симулятори, відеофільми тощо.

Отже, запропонована структура самопідготовки до лабораторної роботи

стимулює самостійну роботу студентів, що є важливою складовою ефективності та

результативності процесу навчання.

Практика застосування такої технології показала, що студенти, які працювали

згідно запропонованого алгоритму, протягом кількох хвилин отримували допуск до

виконання лабораторної роботи, вкладалися в мінімальні затрати часу для

проведення експерименту, опрацювання та інтерпретації його результатів, успішно

захищали лабораторні роботи.

Інтенсивна самопідготовка ставить за мету не тільки успішний захист звіту про

виконання лабораторної роботи, а й працює на студента під час практичних занять,

сприяє глибокому засвоєнню матеріалу, розглянутого на лекціях. Таким чином,

оптимально поставлений практикум має на меті посилити ефективність творчої

самостійної роботи, сприяти засвоєнню кожним студентом програмового матеріалу

на рівні його максимальних можливостей.

Література:

1. Бичко В.А. Ефективність різних форм контролю з використанням ЕОМ при

вивченні фізики / В.А. Бичко, О.І. Головахіна // Дидактичні проблеми фізичної

освіти в Україні: Матеріали науково-практичної конференції. – Чернігів:

Чернігівський державний педагогічний університет імені Т.Г. Шевченка, 1998. –

С.173-174.

2. Головко М.В. Удосконалення методики проведення лабораторних робіт з

використанням програм-симуляторів / М.В. Головко // Дидактичні

проблеми фізичної освіти в Україні: Матеріали науково-практичної

конференції. – Чернігів: Чернігівський державний педагогічний

університет імені Т.Г. Шевченка, 1998. – С. 230-232.

3. Дементієвська Н.П. Використання інтернет-ресурсів для навчального

експерименту з курсу фізики середньої школи / Н.П. Дементієвська //

Інформаційні технології і засоби навчання. 2012. №3 (29). – Режим доступу до

журналу: http://www.journal.iitta.gov.ua

4. Сергієнко В.П. Удосконалення проведення лабораторних робіт з фізики /

В.П. Сергієнко, Т.В. Коваль // Збірник наукових праць Бердянського

державного педагогічного університету (Педагогічні науки). – №1. –

Бердянськ: БДПУ, 2008. – 268 с. – С.171-177.

5. Яремчук В.Ф., Кравчук Н.С., Фальштинська О.Є., Використання

комп’ютерної техніки на уроках фізики: Вісник Чернігівського державного

педагогічного університету імені Т.Г. Шевченка. Випуск 13. Серія: пед.

науки: Збірник у 2-х т. – Чернігів: УДПУ, 2002. – №13– Т. 1. – С.150-152.

6. http://mibif.ru/library/ph/java/lab5.html

7. http://www.niace.org.uk/

8. Roger D. Smith Simulation Article. Encyclopedia of Computer Science, 4th

Edition, July 2000 [Електронний ресурс]. – Режим доступу :

http://www.modelbenders.com/encyclopedia/encyclopedia.html.

References:

1. Bychko V.A. Efektyvnist' riznykh form kontrolyu z vykorystannyam EOM

pry vyvchenni fizyky / V.A. Bychko, O.I. Holovakhina // Dydaktychni problemy

fizychnoyi osvity v Ukrayini: Materialy naukovo-praktychnoyi konferentsiyi. –

Chernihiv: Chernihivs'kyy derzhavnyy pedahohichnyy universytet imeni T.H.

Shevchenka, 1998. – S.173-174.

2. Holovko M.V. Udoskonalennya metodyky provedennya laboratornykh robit

z vykorystannyam prohram-symulyatoriv / M.V. Holovko // Dydaktychni problemy

fizychnoyi osvity v Ukrayini: Materialy naukovo-praktychnoyi konferentsiyi. –

Chernihiv: Chernihivs'kyy derzhavnyy pedahohichnyy universytet imeni T.H.

Shevchenka, 1998. – S. 230-232.

3. Dementiyevs'ka N.P. Vykorystannya internet-resursiv dlya navchal'noho

eksperymentu z kursu fizyky seredn'oyi shkoly / N.P. Dementiyevs'ka //

Informatsiyni tekhnolohiyi i zasoby navchannya. 2012. #3 (29). – Rezhym dostupu

do zhurnalu: http://www.journal.iitta.gov.ua

4. Serhiyenko V.P. Udoskonalennya provedennya laboratornykh robit z fizyky

/ V.P. Serhiyenko, T.V. Koval' // Zbirnyk naukovykh prats' Berdyans'koho

derzhavnoho pedahohichnoho universytetu (Pedahohichni nauky). – #1. –

Berdyans'k: BDPU, 2008. – 268 s. – S.171-177.

5. Yaremchuk V.F., Kravchuk N.S., Fal'shtyns'ka O.Ye., Vykorystannya

komp"yuternoyi tekhniky na urokakh fizyky: Visnyk Chernihivs'koho derzhavnoho

pedahohichnoho universytetu imeni T.H. Shevchenka. Vypusk 13. Seriya: ped.

nauky: Zbirnyk u 2-kh t. – Chernihiv: UDPU, 2002. – #13– T. 1. – S.150-152.

6. http://mibif.ru/library/ph/java/lab5.html

7. http://www.niace.org.uk/

8. Roger D. Smith Simulation Article. Encyclopedia of Computer Science, 4th

Edition, July 2000 [Elektronnyy resurs]. – Rezhym dostupu :

http://www.modelbenders.com/encyclopedia/encyclopedia.html