Рейтинг@Mail.ru

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ «МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЫТА Р. МИЛЛИКЕНА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА»

Никитин Григорий Романович

Челябинский Государственный педагогический университет

задать вопрос автору

Моделирование играет значительную роль в изучении физики, так как позволяет приобщиться к научному творчеству при построении и исследовании моделей известных исторических опытов, например опыта Р. Милликена. При создании модели данного опыта целью моделирования является поведение заряженной капли масла, движущейся в электрическом поле между пластин конденсатора. Создать модель этого исторического опыта можно в среде для моделирования «Model Vision Studium». Разработанная лабораторная работа состоит из трёх частей (I, II — обязательные, III — дополнительная, предлагается в качестве творческого задания).

Моделирование — многоаспектный процесс и многоплановая деятельность. Можно говорить о моделировании как о методологической основе современной науки, как об инструменте познавательной деятельности, как о важном дидактическом средстве. В обучении важное место занимает такой класс информационных моделей, которые представляют собой всевозможные формулы, графики, словесное описание, таблицы, схемы, формулировки законов, алгоритмы и др. Многие исследователи рассматривают моделирование как общедидактическое средство и основной метод приобретения знаний, что обуславливает важность целенаправленного обучения этому методу как в средней, так и высшей школе. Умения по построению и исследованию моделей разного вида относятся к разряду общеучебных.

Моделирование включает несколько этапов [1]:

  1. Постановка цели моделирования.
  2. Анализ объекта и выделение всех его известных свойств.
  3. Анализ выделенных свойств с точки зрения цели моделирования и определение существенных признаков.
  4. Выбор формы представления модели.
  5. Формализация (представление информации, связанной с выделенными свойствами, к выбранной форме).
  6. Анализ полученной модели на непротиворечивость.
  7. Анализ адекватности полученной модели объекту и цели моделирования.

Взаимосвязь этапов моделирования показана на рисунке 1.

Моделирование физических процессов играет значительную роль в изучении физики, так как позволяет учащемуся приобщиться к научному творчеству при построении и исследовании моделей известных исторических опытов, например опыта Р. Милликена по определению заряда электрона [2].

Целью моделирования при изучении учащимися исторических опытов является воспроизведение установки (в действии), которой пользовался учёный, в процессе исследования им физической закономерности. При создании модели опыта Р. Милликена следует рассмотреть поведение заряженной капли масла, движущейся в электрическом поле между пластинами конденсатора.

Анализ опыта и выделение всех известных условий его проведения осуществляется на основе изучения информации об этом опыте, прежде всего в работе с текстом учебного пособия. Проанализировать текст, содержащий информацию об историческом опыте, можно на основе обобщённого плана выполнения физического эксперимента, разработанного А. В. Усовой [4]. Этот план позволет уточнить гипотезу, положенную в основу эксперимента, определить условия для проведения опыта, а также способы измерения величин, порядок осуществления эксперимента, способы математической обработки результатов измерений, осуществить анализ результатов эксперимента.

Создание модели опыта связано с выделением существенных принципов эксперимента. К ним можно отнести: внешний вид экспериментальной установки или объекта, за которым наблюдал учёный, определение связей между элементами установки и наблюдаемым явлением, последовательность проведения опыта, динамика наблюдаемого физического процесса и др.

При построении виртуальных моделей, выбор формы представления результатов сводится к выбору программы, средствами которой будет создаваться модель. В зависимости от выбора программного средства модель может представлять собой анимацию, отражающую последовательность выполнения опыта на качественном уровне, или программно управляемой анимацией (возможность управления моделью и проведении на её основе количественных измерений). Выбор формы представления виртуальной модели зависит от подготовленности учащегося, его интересов и увлечений: существуют стандартные программные средства для построения моделей (Delphi, Macromedia Flash, 3D-Max и др.), а также специальные средства («Живая физика», «Активная физика» и др.). При выполнении работ физического практикума (в классах физико-математического профиля), а также на занятиях элективного курса возможно применение такого программного средства как «Model Vision Studium» (MVS) [3]. Это интегрированная графическая оболочка для быстрого создания интерактивных визуальных моделей сложных динамических систем и проведения с ними вычислительных экспериментов. Свободно распространяемая версия пакета MVS 3.0 доступна на сайте www.exponenta.ru.

Формализация модели заключается в её программной реализации. На этом этапе ученик пользуется знаниями и умениями, приобрётёнными на уроках информатики, и применяет их для представления физического опыта в наглядной и удобной для восприятия форме. Ученик может создавать модель по готовым инструкциям. В этом случае этап программной реализации модели может быть также разбит на части.

Приведём пример выполнения учащимися старшей профильной школы (физико-математический профиль) виртуальной лабораторной работы «Моделирование опыта Р. Милликена по определению заряда электрона в среде MVS». Данная лабораторная работа состоит из трёх частей (I, II — обязательные, III — дополнительная и предлагается в качестве творческого задания) включает:

Моделирование движения капли в отсутствии электрического поля: предполагает знание уравнения движения капли в отсутствии электрического поля  При описании движения капли необходимо учитывать действие силы тяжести, силы сопротивления среды. Сила Архимеда пренебрежимо мала, поэтому ей можно пренебречь.

Для выполнения виртуальной лабораторной работы учащиеся пользуются следующими указаниями (иллюстрацией).

В окне «Класс» необходимо задать уравнение движения капли; уравнение записывается в «Редакторе формул», вызываемом двойным кликом по «Система_Уравнений_1». При сохранении результатов появляется диалоговое окно, в котором сообщается, что для работы программы необходимо добавить переменные. В окне «Переменная» описываем переменную X. В поле «Значение» записывается 0. Необходимо указать также значения других переменных, входящих в формулу:

кг/(м·с) — вязкость среды;

— радиус капли;

м/с2 — ускорение свободного падения;

(, кг) — масса капли.

Далее необходимо запустить модель и осуществить настройку параметров воспроизведения. В окне «Виртуальная модель MVS» в главном меню выбирается пункт «Окна/Новая 3D анимация», затем двойным кликом вызывается окно управления анимацией. В окне «Свойства 3D анимации» в поле «Диапазон» вводится значение . На вкладке «Объекты» выбирается объект «Сфера», который моделирует саму каплю. Необходимо указать радиус сферы . В ячейку «y1, Переменная» мышью перетащите объект «X» из окна переменных «mili_1». На панели инструментов нажмите кнопку «Установка модели». Увеличьте «Соотношение модельного и реального времени» в 10 раз для увеличения скорости протекания процесса. Запустите проект и пронаблюдайте за движением капли вниз в отсутствии электрического поля. Закройте окно «Визуальная модель» с сохранением изменений.

Анализ модели на непротиворечивость проводится путём сопоставления полученной анимации, тексту её описывающему. Если модель программно управляема, то исследуется поведение модели при различных значениях её параметров.

От того, насколько правильно и полно выделены существенные признаки модели, зависит адекватность (соответствие) её цели моделирования. Опыт Р. Милликена принадлежит к числу фундаментальных исторических опытов, которые невозможно воспроизвести в условиях школьного кабинета физики. Моделирование таких опытов является одним из эффективных дидактических средств при их изучении.

Литература:

  1. Бешенков С. А. Моделирование и формализация. Методическое пособие/ С. А. Бешенков, Е. А. Ракитина. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. — 336 с.
  2. Дуков В. М. Электрон. История открытия и изучения свойств. /В. М. Дуков. — М.: Просвещение, 1966. — 236 с.
  3. Смирнов А. В. Методика применения информационных технологий в обучении физике: учебное пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений /А. В. Смирнов. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 240 с.
  4. Усова А. В. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики/ А. В. Усова, А. А. Бобров. — М.: Просвещение, 1988. — 112 с.