"Лабораторный практикум по общему курсу астрономии"
Винник М.А., Чаругин В.М., Розгачева И.К.
"Лабораторный практикум по астрономии" Винник М.А., Чаругин В.М.
Лабораторные практикумы представлены как целостные системы. По форме построения оба практикума схожи, различны лишь в количестве и степени трудности предлагаемых лабораторных работ. Поэтому на примере одного астрономического практикума можно проиллюстрировать их общую структуру.
Так, лабораторный практикум для педвузов содержит описание 31 лабораторной работы и поделен на два раздела. Первый состоит из 13 работ и относится к разделу – астрономия и основы космонавтики, второй содержит 18 лабораторных работ по астрофизике. В конце каждого раздела приведены вопросы к коллоквиуму, для проверки и закрепления накопленных за семестр знаний учащихся. К лабораторным работам прилагается 41 планшет и все необходимые для решения лабораторных работ, справочные данные. В некоторых работах приведены методы обработки результатов наблюдений и нахождение корреляционной зависимости между полученными значениями, а также применяются новые методы и способы измерений и вычислений, используются современные наблюдательные данные, взятые как из отечественных, так и зарубежных источников. Имеются также довольно сложные, но вместе с тем перспективные работы, которые могут представлять хорошую основу для курсовых и дипломных работ.
Последовательность лабораторных работ соответствует программе и основному учебнику по астрономии для физических факультетов педагогических вузов и, по существу, охватывает весь курс общей астрономии, излагаемый на этих факультетах. Однако данный практикум может быть использован на других факультетах и специальностях, так как количество и степень трудности предлагаемых лабораторных работ и наблюдений позволяет варьировать их выбор в зависимости от учебной программы и числа учебных часов, отведенных на практическое изучение курса общей астрономии.
Каждая лабораторная работа содержит все необходимые материалы для ее выполнения, обширный список литературы, перечень задач для самостоятельного решения (т.е. вопросы и задачи к «допуску» и «защите»), представленный в конце каждой работы, что бы более глубокого и детально ознакомиться с изучаемым материалом. Лабораторные работы так же содержат цель, теорию, ключевые этапы выполнения работы, ориентировочную схему и алгоритм выполнения работы. «Цель» работы обращает внимание учащихся на тот метод исследования или способ изучения отдельных характеристик небесных тел, освоению которого посвящена данная работа. Теория описывает сущность и методы выполнения лабораторных работ, причем описания большинства лабораторных работ составлены так, что для их выполнения требуется обязательное изучение литературы, под которой, как правило, подразумеваются рекомендованные учащимся учебники по курсу общей астрономии. И только в случаях отсутствия в литературе сведений, достаточных для выполнения работ, описания последних составлены более подробно. Такой принцип составления описания приучает учащихся к самостоятельной проработке необходимой литературы и к сознательному выполнению лабораторных работ. Ориентировочная схема является указателем направления, в которых учащийся должен двигаться, для успешного самостоятельного выполнения лабораторной работы.
На основе алгоритма преподавателем составляются различные памятки для учащихся, схемы анализа изучаемых явлений и фактов. Кроме того, ключевые этапы, схемы и алгоритмы, предоставляют возможность преподавателю быстро налаживать и осуществлять обратную связь с учащимися, а также видеть структуру всей работы целиком, а не представлять ее в виде отдельных, не связанных между собой блоков или действий.
О выполнении лабораторных работ учащиеся представляют письменные отчеты в виде таблиц, форма которых имеется во всех работах. Для составления таблицы, прежде всего, выписываются все необходимые формулы, которые расчленяются на отдельные последовательные операции. В таблице содержатся в определенном порядке все члены формул и все операции. Оформление результатов наблюдений и обработки в виде таблиц применяется во всех видах лабораторных работ. Такое оформление очень удобно тем, что позволяет производить обработку быстро, четко и с наименьшим количеством промахов, оно приучает к порядку в вычислениях, очень наглядно и полезно выпускникам вузов. Возможность осуществлять пооперационный контроль дает возможность точно фиксировать допущенные ошибки, тут же исправлять их и успешно продолжать дальнейшее выполнение действия. При контроле лишь за правильностью конечного результата действия коррекция затруднена. Объясняется это тем, что ошибочность конечного ответа может произойти по разным причинам: выполнено не то действие по содержанию, не в полном составе входящих в него операций, не в той форме и т.д.
Предложенные практикумы позволяют значительно ускорить процесс выработки интеллектуальных и практических навыков и умений, индивидуализируют процесс обучения и делают его практически безошибочным для учащихся. Они предоставляют возможность самообучения, и не требуют дополнительных дорогостоящих технических средств обучения, исключают необходимость специального заучивания информации до начала ее применения. Теория и практика в них выступают как единое целое, что позволяет глубже проникать в сущность выполняемых лабораторных работ.
Благодаря органической целостности и логичному построению школьного и вузовского практикумов, практическое изучение астрономии носит непрерывный и завершенный характер. Будучи раз составленными, они могут применяться любым преподавателем.
Следует особо подчеркнуть, что исходным моментом в организации деятельности усвоения для нас является «алгоритм выполнения работы». Алгоритм выражает логику познавательной деятельности, «конструирующей» астрономию как учебный предмет – структуру знаний о нем как целостности. «Конструирование» происходит в форме «исследовательской» деятельности, выделяющей в объекте предмет исследования и способ его анализа. Алгоритм намечает общую стратегию исследования, развернутый план анализа, его главные исследовательские процедуры. Для преподавателя и обучаемого алгоритм является общим руководством, организующим их совместную деятельность по выполнению работ.
Строгая форма (в виде алгоритма) и схематичное построение астрономического практикума является одновременно и методическим пособием для студентов и преподавателей для выполнения этих же лабораторных работ с помощью компьютера. Причем работы составлены таким образом, что их можно выполнять как с помощью компьютера, так и без него. Решать лабораторные работы предлагается с помощью электронной таблицы Excel.
Компьютерные вычисления в среде Excel имеют следующие преимущества.
Увеличивается «производительность» и объем решаемых задач, повышается точность вычислений, сам процесс вычисления становятся более удобным. Excel позволяет видеть логику решения задачи. Работа в среде Excel достаточно проста (даже незнакомым с Excel студентам, можно достаточно быстро научиться работать с этой электронной таблицей). И, наконец, польза от овладения средой Excel (Excel применятся для решения самых разнообразных задач).
При проведении вычислений в рамках программы Excel роль учащегося сводится к следующему:
q к заданию исходных числовых данных и их записи в ячейки электронной таблицы;
q к составлению формул, по которым проводятся вычисления, в том числе и с использованием стандартных функций, входящих в математический пакет программ Excel;
q к подаче команд на исполнение различных операций;
q к анализу полученных результатов.
Роль компьютера состоит в проведении рутинных вычислений; построении графиков и диаграмм по результатам вычислений; распечатке электронной таблицы и всех результатов. Таким образом, наиболее интеллектуальные функции остаются за учащимися, а рутинные и оформительские функции – за компьютером. Более того, использование при обучении астрономии таких программных средств, как Excel, дает серьезное основание для разработки дистанционного обучения учащихся средних и высших учебных заведений.
Список работ из практикума для вузов (кол.31 л.р., объем 504 стр.):
1. Экваториальные координаты в астрономии.
2. Вид звездного неба на различных широтах. Астрономические календари. Видимое движение Солнца.
3. Время.
4. Законы Кеплера. Элементы орбит планет.
5. Закон всемирного тяготения и задача двух тел.
6. Искусственные спутники.
7. Космические аппараты и их полеты к планетам.
8. Некоторые физические характеристики планет. Структура поверхности луны.
9. Спектральное определение периодов вращения планет.
10. Определение широты места наблюдения по солнцу.
11. Измерение видимого и линейного диаметра солнца.
12. Орбита кометы Галлея.
13. Задача трех тел и орбита Луны.
14. Коллоквиум по астрономии и основам космонавтики.
15. Определение скорости звезд.
16. Фотометрия звезд.
17. Солнечная активность и общее изучение солнца.
18. Солнечно-земные связи.
19. Спектр хромосферы солнца.
20. Спектр и светимость звезд.
21. Температура звезд.
22. Массы, размеры и плотность звезд.
23. Звездные системы.
24. Определение физических параметров Сверхновых звезд.
25. Строение и эволюция нашей Галактики.
26. Определение интегральных характеристик галактик по их спектрам.
27. Определение основных характеристик пульсаров.
28. Определение основных характеристик квазаров.
29. Магнитные поля во Вселенной и методы их определений.
30. Основные характеристики спектрально-двойной системы.
31. Признак светимости в спектрах квазаров.
32. Расчет модели звезды главной последовательности.
33. Коллоквиум по астрономии и астрофизике.
Список работ из практикума для школ (кол.17 л.р., объем 80 стр.):
1. Наблюдение движения Солнца.
2. Определение длины полуденной линии и момента наступления полдня с помощью гномона.
3. Определение размеров Солнца.
4. Солнечная активность.
5. Взаимосвязь солнечной активности с ростом деревьев.
6. Орбита Луны.
7. Орбита кометы Галлея.
8. Солнечный день на Меркурии.
9. Попятное движение Марса.
10. Эффект Доплера и вращение планет.
11. Вращение Сатурна и его колец.
12. Классификация звезд.
13. Спектральная классификация.
14. Закон Хаббла.
15. Красное смещение и расстояние до квазаров.
16. Определение светимости и абсолютной звездной величины квазаров.
17. Сверхсветовое движение выбросов в квазарах.
Instead of practical works made by traditional techniques, the laboratory practical work at the course of the general astronomy is offered according to the theory of programming training. The basic advantages of the practical work are: availability, logicality and a severe sequence of all carried out actions. It repeatedly allows to speed up process of development of intellectual and practical skills and abilities to individualize process of training and to make training practically correct for students (there are no « tests and mistakes » which are inherent in usual methods). It gives an opportunity of self-training, and does not demand additional expensive means and excludes necessity of special learning of the information prior to the beginning of its application. The theory and practice act in it as a unit. It makes the practical work more clear, that allows to penetrate into essence of solved problems more deeply. Being time it is made, it can be applied by any teacher. The practical work provides high quality of preparation. Besides book variant of a laboratory practical work, it is offered electronic variant as well. And works are made in such a manner that they can be used both with the help of a computer, and without it. To solve laboratory works it is offered with the help of spreadsheet Excel. At realization of calculations within the framework of program Excel the role of the student is reduced to the following: and in the task of the initial numerical data and their record in cells of a spreadsheet; and in drawing up of formulas on which calculations including with use of the standard functions which are included in mathematical software package Excel will be carried out; and in submission of commands on execution of various operations; and the analysis of the received results. The role of a computer consists in realization of routine calculations; construction of diagrams and diagrams by results of calculations; to listing of a spreadsheet and all results. Thus, the most intellectual functions remain for students, and routine and design functions - for a computer. It is necessary to note, that the technique of the training with use of the offered practical work is rather simple. First the student reads the presented problem. Having read a problem, he/she, following « the scheme of orientation basis of action » and algorithm of performance of work, makes the necessary actions according to conditions of a problem.