Г. В. Жусь, В. К. Мухин

Разноуровневые задания в физическом лабораторном практикуме педагогического вуза

В современных условиях педагогические вузы испытывают трудности с набором студентов на физико-математические специальности. В связи с этим в физические лаборатории приходят первокурсники с весьма разным уровнем физико-математической подготовки и начальных экспериментаторских навыков. Кроме того, всегда есть студенты как имеющие, так и не имеющие склонности к экспериментальной работе. Несмотря на это, выпускник физико-математического факультета педагогического вуза непременно должен обладать навыками проведения физического эксперимента.

В результате многолетней работы в физических лабораториях авторы пришли к выводу, что, имея "на входе" физического практикума студентов с разным уровнем подготовки, нерационально "на выходе" всех "приводить к общему знаменателю". Вероятно, имеет смысл установить лишь некоторый минимальный, соответствующий образовательному стандарту, зачетный уровень умений и навыков и дать возможность большинству студентов приобрести такой высокий уровень квалификации, какой они способны или считают необходимым иметь.

Мы считаем, что для реализации изложенной идеи необходима активизация исследовательской деятельности студентов в процессе выполнения лабораторных работ путем уровневой дифференциации заданий, то есть создание такой ситуации, чтобы максимальное число студентов было заинтересовано и имело возможность повысить уровень своих экспериментаторских умений и навыков.

Полагаем, что это можно осуществить путем предложения в каждой лабораторной работе нескольких вариантов (на выбор) заданий разной степени трудности.

Наше понимание проблемы многовариантности учебного физического эксперимента имеет следующие особенности.

1. В процессе выполнения лабораторных работ минимальное число студентов будет не удовлетворено тем, что выполняемая работа для них слишком сложна или, наоборот, слишком элементарна.

   Каждый сможет выбрать себе лабораторное задание в зависимости от своих способностей, желания, возможностей. Можно предположить, что в итоге каждый студент приобретет максимально возможный для себя набор умений и навыков работы в физической лаборатории.

2. Стимулы для выбора максимально сложного варианта:
   • развитие собственных экспериментаторских навыков;
   • личные амбиции;
   • разная степень сложности заключительного контроля (вплоть до полного отсутствия контрольных вопросов при защите работы в самом сложном варианте);
   • учет на экзамене степени сложности выполненных лабораторных работ;
   • оптимизация затрат времени на выполнение и защиту лабораторной работы.
3. Во избежание соблазна заимствования из более простого варианта того, что студент должен сделать сам при выполнении более сложного, предмет исследования в каждом варианте будет свой. Этот пункт также накладывает ограничение на число вариантов, так как количество предметов исследования при почти неизменном оборудовании ограничено.
4. У студентов специальности "физика" лабораторный практикум по общей физике занимает пять семестров. В лаборатории механики, где происходит выявление и выравнивание первоначальных экспериментаторских навыков, имеет смысл оставить один вариант заданий. Для лаборатории молекулярной физики самые трудные варианты лабораторных заданий не потребуются из-за недостаточной подготовки студентов на этом этапе обучения. С другой стороны, в лаборатории атомной физики излишними будут задания ниже квалификационного минимума. Полный набор лабораторных заданий от самых простых до самых трудных целесообразно, по нашему мнению, иметь только в лабораториях электричества и оптики.
5. Студенты, освоившие практикум на уровне ниже квалификационного минимума, не получают зачета. Но заметим, что они при этом приобретут хотя и недостаточные, но не формальные навыки работы в физической лаборатории, которые в дальнейшем могут использовать в практической деятельности.
6. Цена, которую мы вынуждены будем заплатить за полное введение обсуждаемого способа проведения лабораторных работ, заключается или в расширении в два раза лабораторной базы (что нереально!), или в двукратном увеличении нагрузки преподавателя. Дело в том, что в настоящее время одну лабораторную работу выполняет бригада студентов из двух человек, а при введении многовариантной системы студенты, в идеале, должны работать индивидуально. При проведении педагогического эксперимента мы предполагаем отступление от идеала, заключающееся в том, что студенты будут по-прежнему работать бригадами, но в первом семестре будет проделана специальная работа по подбору напарников с близким уровнем квалификации.

Подробному обоснованию необходимости многовариантного подхода к экспериментальной части лабораторных работ был посвящен стендовый доклад на конференции ФССО-2001 [1].

Мы полагаем, что минимально необходимое число вариантов заданий разной степени трудности к одной лабораторной работе - три. Такое число обуславливается тем, что студентов, приступающих к выполнению лабораторного практикума, мы условно разделили по степени развития экспериментаторских навыков на три группы:

• большая группа студентов, для которых существующие работы практикума соответствуют их степени подготовки;
• значительная часть студентов, для которых существующий практикум слишком труден;
• небольшая группа высококвалифицированных студентов, для которых существующий практикум просто элементарен.

Нам представляется, что полный набор должен содержать не менее четырех вариантов заданий разного уровня трудности для каждой лабораторой работы, так как в последнем (пятом) семестре один или два варианта начальной степени трудности должны отсутствовать как не соответствующие квалификационному минимуму. Мы полагаем, что максимальное число вариантов ограничено лишь материальными возможностями конкретной лаборатории и чем оно больше, тем легче студенту выбрать подходящий вариант.

Варьировать степень трудности лабораторных заданий можно по уровню самостоятельности их выполнения. На основе структуры человеческой деятельности выделяется пять уровней самостоятельности. Разработкой этой проблемы для школьного физического практикума давно занимается в ЯГПУ доцент кафедры теории и методики преподавания физики А.Н. Майоров, с разрешения которого мы воспроизводим следующую таблицу.

Эта классификация по степени самостоятельности может служить одним из обоснований многовариантного построения лабораторных работ по физике.

Особенности построения вузовского практикума предполагают дифференциацию не только по степени самостоятельности выполнения, но и по степени сложности самого лабораторного задания. Здесь от варианта к варианту изменяется цель или предмет труда, а следовательно, изменяются и средства труда, и программа деятельности, и конечный продукт.

Таким образом, комбинируя степень сложности и степень самостоятельности, можно создать большое количество вариантов лабораторных заданий, дифференцированных по степени трудности.

Изложенные положения мы иллюстрируем практическим примером построения дифференцированных лабораторных заданий.

Лаборатория оптики

Лабораторная работа N 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ МЕТОДОМ СУБЪЕКТИВНОГО ФОТОМЕТРИРОВАНИЯ [2]

Здесь будут упомянуты только те разделы лабораторной работы, которые подвергаются изменениям от варианта к варианту.

Для удобства сравнения здесь приводятся не сами варианты заданий, а их изложение с нарушением порядка следования разделов.

ВАРИАНТ 1

Лабораторное задание:

1. Определить силу света лампы накаливания.
2. Изучить распределение силы света вокруг лампы.

Особенности описания:

• в этом варианте и во всех последующих подробно описывается методика измерения силы света с помощью фотометра Луммера-Бродхуна;
• даются подробные таблицы для записи результатов;
• выводится формула для расчета абсолютной погрешности в первом задании; во втором задании делаются однократные измерения и расчет погрешности не производится;
• в первом задании показывается форма окончательной записи результата;
• во втором задании по результатам вычислений строится в полярных координатах кривая распределения силы света лампы накаливания в зависимости от угла поворота.

ВАРИАНТ 2

Лабораторное задание:

1. Определение силы света и изучение ее распределения вокруг лампы накаливания.
2. Определение коэффициента ослабления нейтрального светофильтра.

Особенности описания:

• таблицы для записи и обработки результатов составляются самостоятельно;
• приводится общая формула для расчета погрешности; частные производные предлагается вычислить самостоятельно;
• окончательный результат записывается самостоятельно;
• в первом задании по результатам вычислений строится в полярных координатах кривая распределения силы света лампы накаливания в зависимости от угла поворота с учетом погрешностей.

ВАРИАНТ 3

Лабораторное задание:

1. Сравнение точности при измерении интегральной и спектральной силы света лампы накаливания.
2. Сравнение распределения спектральной и интегральной силы света вокруг лампы накаливания.

Особенности описания:

• погрешность рассчитывается само-стоятельно; дается формула расчета случайной погрешности для увеличивающегося числа измерений (при защите работы ее нужно вывести);
• самостоятельно составляются таблицы для записи и обработки результатов измерений, причем число измерений в первом задании выбирается самостоятельно из сравнения систематической и уменьшающейся в процессе измерения случайной погрешности;
• во втором задании измерения проводятся в диапазоне углов от нуля до девяноста градусов; число измерений для каждого угла берется из предыдущего задания;
• все измерения проводятся дважды: для интегральной и для спектральной (со светофильтром) силы света; в конце сравнивается точность полученных результатов;
• во втором задании в одной системе координат строятся две кривые: для интегральной и спектральной силы света.

ВАРИАНТ 4

Ставится проблема: выяснить, можно ли принять имеющуюся в работе лампу накаливания за точечный источник света.

Возможен вариант проблемы: оценить световой поток лампы накаливания через переднюю полусферу.

Вопросы для допуска к работе

1. Основные фотометрические характеристики точечных источников света: световой поток, сила света (определение и единицы измерения).
2. Освещенность поверхности (определение и един. измерения).
3. Связь между освещенностью поверхности, силой света точечного источника и расстоянием от источника до освещаемой поверхности.
4. Фотометры и их назначение. Устройство и принцип действия фотометра Луммера-Бродхуна.
5. Рабочая формула и измерение входящих в нее величин.

Во втором варианте не обсуждаются четвертый и пятый вопросы. В третьем и четвертом вариантах специальный допуск к работе не проводится.

Контрольные вопросы

1. Какая разница между световым потоком и просто потоком энергии?
2. Фотометрические характеристики протяженных источников света: светимость, яркость (определение, единицы измерения).
3. Закон Ламберта. Зависимость между светимостью и яркостью косинусных излучателей (вывод формулы R = пB). Является ли лампа накаливания ламбертовским излучателем?
4. Почему сравниваемые освещенные поля в фотометре Луммера-Бродхуна имеют, как правило, различную окраску? Влияет ли это на точность измерений? Если влияет, то как повысить точность измерений?
5. Почему сила света лампы различна в различных направлениях? Есть ли источники, у которых сила света одинакова во всех направлениях? Приведите примеры.
6. Какие еще методы фотометрирования вам известны?
7. Дайте описание известных вам фотометров.

Во втором варианте не обсуждается, например, пятый вопрос. В третьем варианте - четвертый и пятый вопросы. В четвертом варианте контрольные вопросы целенаправленно не обсуждаются, а защита работы производится путем вольного обсуждения полученных результатов.

В начале работы студент получает все варианты заданий. После выбора желаемого варианта он работает с методическим руководством, соответствующим только этому варианту задания.

Введение разноуровневых заданий и работа студента по выбранному им варианту будет способствовать, с нашей точки зрения, активизации познавательной деятельности студента и формированию его профессиональных умений при выполнении работ лабораторного практикума.

Литература

1. В. К. Мухин. Об одном из методов повышения эффективности лабораторного практикума по естественным дисциплинам (на примере физики) (тезисы). Шестая международная конференция "Физика в системе современного образования". Ярославль, 2001. Т. 3. С. 191.
2. Руководство к лабораторным работам по физике. Оптика. Ч 1/ Состав.: Г. В. Жусь, Д.З. Кашникова, В. К. Мухин. Ярославль: ЯГПИ, 1987.