Создание и методика применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Якута Алексей Александрович

СОЗДАНИЕ И МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ (на примере раздела «Механика» курса общей физики классического университета)

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики 13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2005

А

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент Семёнов Михаил Владимирович.

Научный консультант: доктор педагогических наук,

профессор Смирнов Александр Викторович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Кандидов Валерий Петрович;

кандидат педагогических наук, доцент Степанов Сергей Васильевич.

Ведущая организация: Московский государственный технический

университет (МГТУ) им. Н.Э. Баумана.

Защита состоится 3 марта 2005 г. в 15 час. 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.66 при физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Северная физическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан « » января 2005 г.

Ученый секретарь д

Диссертационного совета___)

к. ф.-м. н., доцент С Л/к/ Г4^ Ершов А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В практике преподавания курса общей физики в классических университетах большое внимание традиционно уделяется демонстрационным экспериментам, позволяющим наблюдать реальные физические явления и служащим базой для излагаемых теоретических положений. Постановкой демонстрационного эксперимента в разное время занимались ведущие ученые и профессора университетов, которые стремились использовать для этого самые современные технические средства. В настоящее время происходит интенсивное внедрение вычислительной техники в учебный процесс, однако, автоматизация демонстрационного эксперимента, дающая возможность значительно расширить круг демонстрируемых явлений и вывести преподавание на современный уровень, пока явно отстает от имеющихся потребностей.

Установки для автоматизированного демонстрационного эксперимента, в отличие от лабораторных научных и учебных установок, используются непосредственно во время чтения лекций. В связи с этим эксперимент должен быть наглядным и легко объяснимым, должен проходить быстро, а результаты должны представляться сразу после его окончания в удобном для восприятия виде (таблицы, графики и т.п.). Кроме того, установка для проведения эксперимента должна достаточно просто собираться и разбираться и легко сопрягаться с компьютерной техникой. По изложенным причинам создание и методика применения в учебном процессе автоматизированных установок, предназначенных для показа демонстрационных экспериментов по физике, представляет собой научно-методическую проблему, требующую для своего решения новых технических и методических подходов, отличных от используемых при автоматизации лабораторного эксперимента.

Важность сформулированной проблемы обусловлена тем, что до сих пор подавляющее большинство из показываемых на лекциях по физике демонстрационных экспериментов имеет «качественный» характер, то есть они демонстрируют само физическое явление без каких-либо численных результатов. Лекционные эксперименты такого типа, безусловно, занимают важное место в процессе преподавания курса общей физики в вузе, однако использование одних лишь «качественных» демонстрационных экспериментов сужает возможности лектора, не позволяя ему приводить количественные доказательства справедливости изучаемых закономерностей. Появление компьютерной техники позволило создавать установки для проведения количественного автоматизированного демонстрационного эксперимента. Использование при чтении лекций таких установок наряду с классическими опытами дает возможность значительно осовременить процесс преподавания курса общей физики, продемонстрировать обучаемым методы, применяемые в научных лабораториях для экспериментальных исследований, познакомить студентов с возможностями современной вычислительной техники, а также расширить круг демонстрируемых явлений за счет эффектов, проявления которых недоступны непосредственному визуальному наблюдению и требуют точного количественного анализа. Однако число созданных и внедренных в учебный процесс экспериментальных установок, позволяющих проводить количественный демонстрационный эксперимент по раз 5щей физики,

до настоящего времени было весьма не< с их создания

до сих пор не имел системного характера, т.е. не базировался на едином научно обоснованном подходе. Следовательно, существует противоречие между имеющимися потребностями поддержки процесса преподавания курса общей физики в классическом университете современными автоматизированными лекционными демонстрациями и недостатком специальных приборов, отсутствием единого научного подхода к их созданию и неразработанностью методики их применения в практике преподавания. Указанное противоречие определило актуальность проведенного исследования.

Объектом исследования являются процессы создания и применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов по физике.

Предметом исследования являются процесс создания и методика применения аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов при изучении раздела «Механика» в курсе общей физики классического университета.

Идея исследования состоит в том, что одним из путей повышения эффективности демонстрационного эксперимента является применение автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов (далее -АДАПК) для постановки количественных демонстрационных экспериментов.

Целями диссертационной работы являются:

- теоретическое обоснование возможности применения АДАПК для постановки количественных лекционных экспериментов;

- разработка теоретических принципов построения АДАПК для количественных демонстрационных физических экспериментов, а также требований, предъявляемых к аппаратной и программной частям этих комплексов;

- создание АДАПК, предназначенных для постановки количественных лекционных экспериментов для раздела «Механика» курса общей физики классического университета;

- экспериментальная проверка возможностей использования АДАПК для постановки новых количественных демонстрационных экспериментов и модернизации имеющихся классических демонстрационных экспериментов;

- разработка методики применения созданных АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики;

- проверка методики применения АДАПК в учебном процессе.

Для достижения указанных целей и проверки идеи исследования решались следующие конкретные задачи:

- проведение анализа научно-технической и научно-методической литературы, посвященной вопросам постановки современного демонстрационного эксперимента и использованию имеющихся разработок при преподавании курса общей физики в высшей школе;

- проведение анализа методических требований к классическому демонстрационному физическому эксперименту; выдвижение на их основе теоретических принципов построения АДАПК для количественных демонстрационных экспериментов, а также формулировка и теоретическое обоснование требований, предъявляемых к аппаратной и программной частям АДАПК;

- разработка аппаратной и программной частей АДАПК, предназначенных для постановки количественных демонстрационных экспериментов по механике, и сопряжение созданных демонстрационных установок с компьютером;

- проведение теоретического анализа характеристик и возможностей созданного оборудования, экспериментальная проверка полученных теоретических выводов, разработка методики постановки количественных автоматизированных демонстрационных экспериментов с использованием созданных АДАПК;

- разработка методики применения созданных АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете;

- проведение педагогического эксперимента по применению созданных АДАПК в учебном процессе классического университета.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: изучение и анализ монографий, специализированных журналов, трудов и сборников тезисов научных и научно-методических конференций, литературы по технике и методике демонстрационного эксперимента; изучение и анализ государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности «Физика», примерных учебных программ классических университетов по курсу общей физики; проектирование и конструирование экспериментальных установок и средств их сопряжения с компьютерной техникой; программирование компьютера IBM PC с использованием языка высокого уровня Borland Pascal; применение методов классической динамики и теоретической механики, теории колебаний, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории статистической обработки результатов физического эксперимента, математического моделирования и численных методов; экспериментальное преподавание, опрос, анкетирование, получение экспертных оценок.

Научная новизна исследования состоит в том, что:

- разработаны научно-теоретические принципы построения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов и требования, предъявляемые к аппаратной и программной частям этих комплексов;

- созданы три автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплекса и модернизирован один такой комплекс, позволяющие демонстрировать цикл количественных демонстрационных экспериментов по механике;

- разработана и апробирована методика применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете.

Теоретическая значимость исследования определяется тем, что:

- теоретически обоснованы требования к аппаратной и программной частям АДАПК;

- построены математические модели, адекватно описывающие процессы, происходящие в разработанных демонстрационных установках;

- теоретически проанализированы возможности созданных АДАПК, получены оценки для максимальной скорости обмена данными между созданными экспериментальными установками и компьютером, сделаны оценки точности

измерений, которую обеспечивают созданные АДАПК при постановке количественных автоматизированных лекционных экспериментов по механике;

- теоретически обосновано, что применение АДАПК для постановки количественных демонстрационных экспериментов является одним из перспективных направлений развития техники и методики лекционного физического эксперимента.

Практическая значимость исследования заключается в том, что:

- создан набор АДАПК и разработана методика их применения, которые могут использоваться для поддержки преподавания раздела «Механика» курса общей физики в высшей школе;

- поставлено 23 автоматизированных демонстрационных эксперимента для подразделов «Механика материальной точки», «Механика твердого тела», «Механические колебания» и «Механика сплошных сред» раздела «Механика» курса общей физики;

- разработаны методические рекомендации по применению новых автоматизированных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете;

- созданные в результате настоящего исследования АДАПК внедрены в учебный процесс физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, а их отдельные компоненты используются в Витебском государственном университете (Республика Беларусь) и в Кыргызско-Славянском Российском университете (Республика Кыргызстан);

- результаты исследований могут быть использованы при создании АДАПК для других разделов курса общей физики, а также для постановки лабораторных работ общего физического практикума;

- разработанные экспериментальные методы и полученные результаты могут использоваться при создании автоматизированных измерительных установок, предназначенных для проведения научных исследований.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

- задача повышения эффективности количественного демонстрационного эксперимента может решаться путем создания и применения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов (АДАПК);

- АДАПК должны разрабатываться на основе набора специфических принципов и с учетом ряда требований, основными из которых являются многофункциональность, тематическая целостность и техническая полнота;

- при постановке новых автоматизированных количественных лекционных экспериментов, демонстрируемых с использованием АДАПК, должны применяться чувствительные и достаточно быстродействующие датчики физических величин, современные математические и программные методы, а также должны специально учитываться технические особенности аппаратной части АДАПК;

- создан набор АДАПК для использования в разделе «Механика» университетского курса общей физики, и на его основе поставлено 23 автоматизированных демонстрационных эксперимента по механике;

- методика применения АДАПК при обучении физике в классическом университете должна базироваться на том, что необходимо проводить количественные демонстрационные эксперименты для каждого из подразделов курса в со-

четании с классическими лекционными демонстрациями и в следующих целях: а) для иллюстрации явлений, которые трудно или невозможно продемонстрировать иными способами; б) для количественного подтверждения изучаемых закономерностей; в) для мотивации изучения нового материала путем выдвижения познавательных задач и создания проблемных ситуаций перед началом рассмотрения новых тем курса.

Достоверность и обоснованность полученных в данной диссертационной работе научных результатов и выводов обеспечиваются адекватностью методов исследования поставленным в работе целям, опираются на результаты классической механики и дидактики физики, на анализ различных концепций применения компьютерной техники при преподавании физики в вузе, а также подтверждаются тем, что:

- сформулированные принципы построения АДАПК для количественных лекционных экспериментов по разделу «Механика» и требования к аппаратной и программной частям этих АДАПК не противоречат основным методическим требованиям, предъявляемым к демонстрационному учебному физическому эксперименту;

- предложенные теоретические описания и математические модели процессов, происходящих в созданных демонстрационных установках, соответствуют их реальному функционированию;

- экспериментальные результаты, полученные при использовании разработанных и созданных АДАПК, в пределах погрешностей измерений согласуются с результатами теоретических расчетов д ля соответствующих физических величин, и (или) с данными других авторов, опубликованными в научной и справочной литературе;

- целесообразность применения созданных АДАПК в учебном процессе классического университета при изучении раздела «Механика» курса общей физики подтверждается результатами проведенного педагогического эксперимента.

Апробация исследования. Результаты работы докладывались соискателем на научных семинарах кафедры общей физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, а также на 12 Всероссийских и Международных научных конференциях: «Ломоносовские чтения» (Москва, 2004), «Физика в системе современного образования» (Петрозаводск, 1995; Волгоград, 1997; Ярославль, 1999; С.-Петербург, 2001), «Современный физический практикум» (С.-Петербург, 2002; Москва, 2004), «Университетский курс общей физики: современные проблемы» (Москва, 1996), «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий (ЕЫТ-1)» (С.-Петербург, 2003), «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» (Москва, 2000), «Проблемы физического образования в средней и высшей школе» (Рязань, 2002), конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов» (Москва, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 22 работы, в том числе 8 статей в научном журнале «Физическое образование в вузах», 1 статья в сборнике расширенных тезисов докладов научной конференции и 13 тезисов докладов на научных и научно-методических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 176 наименований, а также четырех приложений, и содержит 246 страниц основного текста, 15 таблиц, 5 диаграмм, 46 рисунков, 6 фотографий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, выбраны объект и предмет исследования, сформулирована идея исследования, поставлены цели и сформулированы задачи исследования, перечислены использовавшиеся для решения этих задач методы. Отражены научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость, достоверность и обоснованность полученных результатов. Сформулированы выносимые на защиту положения, приведены сведения об апробации результатов исследования и о публикациях по теме диссертации. Дана краткая характеристика работы.

В первой главе «Анализ современного демонстрационного физического эксперимента и разработка принципов создания автоматизированных лекционных демонстраций по физике» проводится обзор литературных источников, содержащих описание способов применения компьютеров в лекционных демонстрациях, а также современного этапа развития демонстрационного эксперимента - создания установок для количественного автоматизированного демонстрационного эксперимента. Анализируются разработки современных автоматизированных демонстрационных установок для лекционного эксперимента, выполненные различными авторами, в частности АДАПК для демонстрации экспериментов по механике материальной точки, ранее созданный на физическом факультете МГУ.

В результате проведенного анализа выявлено, что число работ, содержащих описание количественных автоматизированных демонстрационных экспериментов по курсу общей физики, весьма невелико. Малочисленность разработок по данной тематике объясняется высокой сложностью технических и методических задач, которые необходимо решать при создании оборудования такого типа, и небольшим количеством разработчиков, которые по уровню своей квалификации могут заниматься описываемыми разработками. Существенное значение имеет также высокая стоимость разработок в этой области и небольшой объем рынков сбыта продукции у фирм, производящих демонстрационное оборудование. Исходя из сказанного, сделан вывод, что в настоящее время оправданным является проведение вузами самостоятельных разработок данного типа лекционных демонстраций. Все это подтверждает актуальность темы данной диссертационной работы.

Далее теоретически обосновывается возможность применения АДАПК для постановки количественных демонстрационных экспериментов, дается обоснование целесообразности разработки АДАПК отдельно для каждого из подразделов курса общей физики, а также разрабатываются научно-теоретические принципы построения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов и требования, предъявляемые к аппаратной и программной частям этих комплексов. Указывается, что АДАПК в целом должен удовлетворять следующим основным требованиям: многофункциональность (АДАПК должен позволять демонстрировать набор лекционных экспериментов); тематическая целостность (демонстрируемые при помощи АДАПК эксперименты должны быть тематически связаны друг с другом); техническая полнота (АДАПК должен включать в себя всё необходимое для демонстрации определенного набора экспериментов). Формулируются следующие принципы отбора количественных лекционных экспериментов по разделу «Механи-

ка», пригодных для реализации в АДАГПС: оправданность с педагогической точки зрения; возможность объяснения результатов экспериментов в рамках изучаемого курса; пригодность результатов экспериментов для сравнения с известными студентам данными и закономерностями. Показывается, что при создании АДАПК следует соблюдать следующие требования к их аппаратной и программной частям: аппаратный минимализм ЭВМ; возможность переносимости на более современную ЭВМ; высокое механическое качество изготовления узлов и деталей; внешняя простота конструкции установки; простота сопряжения с компьютерной техникой; необходимость использования распространенного языка программирования; высокая скорость работы; применение современных математических методов для обработки экспериментальных данных; использование широко распространенной операционной системы; независимость от внешних специализированных программных надстроек. Формулируются основные требования, предъявляемые к программному обеспечению АДАПК, в том числе к пользовательскому интерфейсу: комфортность визуального восприятия; интуитивная ясность; логическая обособленность элементов, предназначенных для показа различных демонстраций; недопустимость информационной перегрузки студентов; необходимость визуального разделения процессов получения экспериментальных данных и их окончательной обработки; реализация режима непрерывного вывода получаемой от установки информации; физическая корректность организации вывода информации; возможность ознакомления со справочной информацией.

Во второй главе «Создание автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов для раздела «Механика» курса общей физики» описываются один модернизированный и три вновь созданных нами АДАПК, предназначенных для использования при преподавании четырех различных подразделов раздела «Механика» курса общей физики.

В первой части главы обосновывается необходимость модернизации описанного в главе 1 АДАПК для подраздела «Механика материальной точки» и предлагается способ осуществления такой модернизации. Основу этого АДАПК составляет скамья с воздушной подушкой (рис. 1) длиной около двух метров. Она представляет собой полую тонкостенную дюралюминиевую трубу квадратного сечения, установленную на горизонтальном основании так, что одна из диагоналей сечения вертикальна. Вся эта конструкция снабжена регулировочными винтами, которые дают возможность изменять наклон скамьи, поворачивая ее в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях. Торцы трубы закрыты заглушками. В одной из заглушек имеется отверстие, через которое в трубу при помощи компрессора нагнетается воздух, выходящий затем через большое количество маленьких отверстий, просверленных в двух ориентированных вверх гранях трубы. Благодаря этому между указанными гранями трубы и специально изготовленными тележками создается воздушная подушка, наличие

которой позволяет тележкам «зависать» над скамьей и двигаться по ней практически без трения. Для удобства управления тележками на одном из концов скамьи установлен электромагнитный пускатель, который позволяет удерживать тележку в исходном положении и в нужный момент сообщает ей регулируемую в некоторых пределах начальную скорость. Установка снабжена набором из восьми датчиков положения (шесть стационарных и два дополнительных съемных), позволяющих определять зависимость координат тележек от времени, а также независимо измерять их скорости и ускорения. Датчики закреплены на съемной планке, которая устанавливается в горизонтальном положении над скамьей, а на тележках имеется специальная насадка, выполненная в виде четырех вертикальных пластинок известной ширины. Сигналы, поступающие от датчиков, анализируются при помощи компьютера, что позволяет с высокой точностью определять скорость и ускорение тележек.

С целью модернизации данного АДА ПК автором была создана измерительная система, включающая в себя датчик силы на дифференциальном трансформаторе, аналогово-цифровой преобразователь и специализированное программное обеспечение. Для отсчета интервалов времени применяется специальная компьютерная программа, использующая возможности операционной системы МБ ЕЮБ и обеспечивающая точность измерения времени -15 мкс. Эта программа применяется для постановки всех описанных в данной работе экспериментов, а ее описание и программный код приведены в Приложении 2 к диссертации. Проведенные экспериментальные исследования характеристик измерительной системы позволили установить, что она позволяет регистрировать силы в диапазоне от -10 Н до +20 Н на временных интервалах -50-И ООО мс с разрешением по времени ~1 мс. Данная система позволяет осуществлять демонстрационные эксперименты по проверке второго закона Ньютона при действии переменной силы.

Во второй части главы описывается созданный нами АДАПК для подраздела «Механика твердого тела», предназначенный для постановки лекционных экспериментов по механике вращательного движения твердого тела вокруг неподвижной оси.

Предложен модернизированный вариант демонстрационной установки «Стол на воздушной подушке» (рис. 2), являющейся основой указанного АДАПК. Установка устроена следующим образом. На массивной треноге 1 с регулировочными винтами 2 укреплена полая станина 3, к которой крепятся все основные элементы установки. Верхняя часть станины выполнена в виде короткой вертикальной цилиндрической трубки диаметром около 30 мм, к которой привинчен полый диск 4. В верхнем и нижнем основаниях диска и на его боковых цилиндрических поверхностях просверлено около 100 отверстий диаметром ~1 мм. Круглая платформа, которая во время работы установки должна висеть на воздушной подушке, сделана из двух цилиндрических полых частей 5 и 6. Внутренние диаметр и суммарная высота этих частей

Рис. 2

примерно на 0,7-5-0,9 мм превышают внешний диаметр и высоту диска с отверстиями, а в центре части 6 имеется крутое отверстие, диаметр которого примерно вдвое больше диаметра трубки станины. Части 5 и 6 соединяются друг с другом винтами так, что получается платформа диаметром около 160 мм и высотой около 30 мм, которая охватывает диск с отверстиями. Сбоку на станине имеется отверстие 7, предназначенное для нагнетания в установку воздуха через шланг от воздуходувки. Нагнетаемый воздух проходит через станину и выходит через отверстия в диске, попадая в пространство между ним и платформой. В результате платформа «повисает» на образовавшейся воздушной подушке и может вращаться практически без трения. При определенном расположении и диаметре сделанных в диске отверстий такая система является самоцентрирующейся. Для предотвращения «прилипания» платформы к диску через него пропущены шесть трубочек 8. На станине также укреплена система из двух блоков - нижнего 9 и верхнего 10 -через которые перекидывается нить с подвешенными к ней грузами 11. Нижний блок установлен непосредственно на станине на уровне поверхности платформы, а верхний поднят над столом на высоту около 1 м при помощи полой штанги. Блоки с целью уменьшения трения также снабжены воздушной подушкой. На внешней боковой части платформы имеется шпенек, предназначенный дня закрепления переброшенной через блоки нити, и круговая канавка, в которую эта нить закладывается при ее наматывании на платформу. Для сопряжения данной установки с компьютером создана оптическая система регистрации угловой координаты вращающейся на воздушной подушке платформы. Эта система состоит из двух световых датчиков положения 12 и специальной кольцевой гребенки.

Описан способ определения направления вращения платформы, основанный на методе программного сравнения фазовых соотношений сигналов, поступающих от световых датчиков положения. Проведено теоретическое и экспериментальное изучение динамических характеристик демонстрационной установки. В результате установлено, что: влияние нескомпенсированных моментов аэродинамических сип на вращательное движение платформы при ее небольших угловых скоростях может быть сведено к действию постоянного момента силы; учет масс блоков сводится к введению эффективного момента инерции подвижных частей установки; масса используемой для экспериментов нити должна быть намного меньше половины массы наименьшего калиброванного груза т (точность задания т составляет 1 мг). Также осуществлены измерения эффективного момента инерции подвижных частей установки изучены зависимости действующего в установке нескомпенсированного момента аэродинамических сил М0 от приложенного момента внешних сил и от нагрузки платформы. Показано, что для обработки получаемых экспериментальных зависимостей угловой координаты ф от времени следует использовать уравнение (70 +Jx)iр = тЯ^ - Яф) + М0, где Jx - дополнительный (измеряемый) момент инерции, Я - радиус платформы. На основе проведенных исследований предложена методика проведения измерений и обработки их результатов, выбрана оптимальная длительность записи зависимости угловой координаты платформы от времени (3 полных оборота платформы) и диапазон масс калиброванных грузов, используемых для проведения экспериментов (от 2 до 9 г), оценены погрешности измерений.

В третьей части главы описывается созданный нами АДАПК для подраздела «Механические колебания», предназначенный для постановки лекционных экспериментов по изучению механических колебаний. Разработанная демонстрационная установка, являющаяся основой данного АДАПК (рис. 3), представляет собой массивную вертикальную раму, на которой соосно установлены два подшипника с закрепленной в них горизонтальной поворотной осью. На одном из свободных концов этой оси перпендикулярно к ней жестко закреплен стальной стержень диаметром 4 мм. Расстояние от оси вращения получившегося физического маятника до нижнего конца стержня составляет около 600 мм. На стержне с помощью прижим-Рис. 3 ного винта закреплен латунный груз массой -250 г. Поло-

жение груза на стержне можно изменять. К верхнему юнцу стержня прикреплена указательная стрелка, перемещающаяся при колебаниях маятника по шкале с ценой деления 1°. Конструкция маятника допускает его максимальное отклонение на углы до ±60°, а период его колебаний при постановке различных экспериментов лежит в пределах ~(1-И,5) с. Для сопряжения установки с компьютером разработан датчик углового перемещения на базе оптического манипулятора типа «мышь», позволяющий измерять угловую координату с точностью ~1/16°.

Описаны способ сопряжения этого датчика с компьютером и способ построения гладких фазовых портретов колебательных процессов в режиме реального времени, а также современный авторегрессионный метод спектрального анализа, применяемый для получения спектров и оценки их параметров. Использование этого метода обеспечивает точность измерения частоты ~1 О""3 Гц и достаточно высокое, по сравнению с обычным преобразованием Фурье, быстродействие работы программного обеспечения. Данная установка позволяет осуществлять демонстрационные эксперименты по изучению собственных механических колебаний маятника. Здесь же приведено описание устройства усовершенствованного варианта прибора Рухардта и способа его использования для изучения процесса автоколебаний.

В четвертой части главы описывается созданный нами АДАПК для подраздела «Механика сплошных сред», предназначенный для постановки лекционных экспериментов по аэродинамике. Описано устройство демонстрационной установки для изучения падения тел в воздухе (рис. 4), являющейся основой указанного АДАПК. Ее основной частью является установленная вертикально при помощи отвеса планка с десятью оптическими датчиками положения - шестью стационарными и четырьмя съемными. Расстояние между крайними датчиками составляет ~1,6 м, координаты х, всех датчиков (относительно самого верхнего) определены с точностью -0,5 мм. Над верхним датчиком закреплен электромагнитный пускатель, позволяющий аккуратно, без начальной скорости, отпускать тела вращения различной формы (рис. 5) Рис 4 так' что®ы они падзли» сохраняя вертикальное положение своих осей,

и пролетали через все датчики. Тела выполнены твтнтмтч ^ттхж^гу из немагнитных материалов, просверлены вдоль !"*1й* * осей, и в отверстия вклеены тонкие ферромаг- Шк ^ нитные стерженьки, которые притягиваются к за- * * остренному концу сердечника пускателя. Под нижним датчиком расположен улавливатель, в который попадают падающие тела.

Изложена построенная автором математическая модель, позволяющая использовать эту демонстрационную установку для постановки лекционных экспериментов по аэродинамике. Описан основанный на данной модели метод определения коэффициента лобового сопротивления Сх у падающего тела массы т, основанный на численном решении следующей системы уравнений, являющейся следствием дифференциального уравнения движения падающего тела:

Е'МС-Ь3)2

Vn =vn

4

5 з- Ш5ГШ ' Л ° 4 '

где v0 - неизвестная начальная скорость падающего тела; v'0 - его скорость при пролете мимо первого датчика; а - «среднее ускорение» тела, получаемое в результате аппроксимации зависимости x,(Q полиномом второй степени (v'0 и а определяются в эксперименте); /, - набор времен срабатывания датчиков при пролете через них тел, а = CxpS/2 - подлежащий определению коэффициент, пропорциональный величине Сх (р - плотность воздуха, S- площадь поперечного сечения тела). Затем на основе данной модели дано теоретическое обоснование описанного в первой главе модифицированного баллистического метода измерения ускорения свободного падения g, основанного на наблюдении падения в воздухе шариков одинакового размера с различными массами. Описаны проведенные исследования возможности использования данной демонстрационной установки для экспериментального определения вида зависимости силы вязкого трения от скорости при падении шариков в воздухе. Подтверждено, что данная зависимость имеет квадратичный характер, и установлено, что для постановки соответствующего демонстрационного эксперимента необходимо существенное (на порядок) повышение точности измерений координат датчиков, регистрирующих движение падающих шариков.

В третьей главе «Методика применения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики» описываются предложенные нами новые автоматизированные количественные демонстрационные эксперименты, поставленные с использованием АДАПК, описанных во второй главе. Для каждого из АДАПК описана его программная часть, а также техника постановки соответствующих экспериментов. Разработана методика применения предложенных автоматизированных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете. Для всех количественных экспериментов приведены типичные результаты, получаемые в результате измерений.

С использованием АДАПК для подраздела «Механика материальной точки» поставлено три автоматизированных демонстрационных эксперимента по проверке выполнения второго закона Ньютона при различных типах соударений - «абсолютно упругом», частично упругом и абсолютно неупругом. Основная идея экспериментов состоит в измерении и сравнении величин изменения импульса движущейся по скамье с воздушной подушной тележки и импульса действующей на нее переменной силы. Показано, что характерная для данных экспериментов погрешность измерения импульса силы не превышает -5%, чем и определяется точность проводимой проверки.

С использованием АДАПК для подраздела «Механика твердого тела» поставлено пять автоматизированных демонстрационных экспериментов по механике вращательного движения: изучение кинематики вращательного движения; проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянной величине момента инерции 3 и при постоянном моменте внешней силы М; измерение плавных цешральных осевых моментов инерции симметричных тел; проверка теоремы Гюй-генса-Штейнера. Основная идея этих экспериментов состоит в измерении углового ускорения <р вращающейся платформы демонстрационной установки при постоянных значениях Мили У, и дальнейшем анализе зависимостей ср(М) и ф(/). Показано, что характерная для данных экспериментов погрешность измерения фифне превышает -0,2%, точность осуществления проверки основного уравнения вращательного движения составляет -1%, точность измерения 7 для различных тел лежит в пределах Ч1-Ю)%, а точность проверки теоремы Гюйгенса-Штейнера составляет -5%.

С использованием АДАПК для подраздела «Механические колебания» поставлено 14 автоматизированных демонстрационных экспериментов, распределенных по следующим четырем тематическим группам: изучение кинематики колебательного движения, изучение затухающих колебаний при наличии различных сил трения, изучение связанных колебаний и спектральный анализ колебательных процессов, изучение неизохронности колебаний физического маятника. Основная идея этих экспериментов состоит в получении зависимости угловой координаты <р физического маятника от времени t при различных условиях и дальнейшем применении спектрального анализа и сглаживания фазовых траекторий в режиме реального времени. Показано, что использование созданной нами экспериментальной установки и применение современных математических методов позволяют: надежно отличать друг от друга силы вязкого трения, пропорциональные первой и второй степеням скорости; при помощи простых средств наблюдать и анализировать нелинейные колебания маятника, в том числе получать вторую, высшие и нечетные гармоники в спектре, а также комбинационные частоты; обнаруживать неизохронность колебаний физического маятника и проверять теоретическую зависимость / = /0(1 - а2 /16) частоты колебаний /от их угловой амплитуды а с точностью не хуже ~3%.

С использованием АДАПК для подраздела «Механика сплошных сред» поставлены автоматизированные демонстрационные эксперименты по измерению коэффициентов лобового сопротивления Сх у тел различной формы и по измерению ускорения свободного падения g модифицированным баллистическим методом. Основная идея экспериментов состоит в наблюдении за падением различных тел в воздухе и определении моментов времени, в которые эти тела имеют заданные координаты, соответствующие координатам датчиков. Таким образом, для каждого

тела может быть получен набор точек x,(t,), лежащих на зависимости координаты х данного тела от времени t. Далее при помощи метода, основанного на описанной во второй главе математической модели, из зависимости x,{t¡) может быть извлечена информация о коэффициенте лобового сопротивления у соответствующего тела. Используя для проведения эксперимента шарики одинакового размера, но разных масс, можно с помощью этого же метода вычислять ускорение свободного падения g для вакуума, исходя из «средних ускорений» шариков при их падении в воздухе.

Показано, что точность измерения Сх для использовавшихся тел лежит в пределах ~(10-И 5)%, а различие в ~{20-ь30)% с данными, приведенными для аналогичных тел в справочной литературе, объясняется колебаниями тел в набегающем воздушном потоке в процессе их падения. Приведены результаты измерения g, полученные с использованием модифицированного баллистического метода. Показано, что точность определения g в данном эксперименте составляет -0,1%.

В конце главы анализируется примерный план изучения отдельных тем раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете, и на основе этого анализа формулируются методические рекомендации по применению созд анных нами АДА ПК в учебном процессе. Проводится соотнесение тематики предложенных нами демонстрационных экспериментов с преподаваемыми темами раздела «Механика» и д ается указание на те элементы знаний, усвоению которых может способствовать применение созданных нами АДАПК. Описывается возможная частная методика применения этих АДАПК при преподавании в классическом университете раздела «Механика» курса общей физики, в соответствии с которой необходимо демонстрировать количественные демонстрационные эксперименты для каждого из подразделов курса в сочетании с классическими лекционными демонстрациями и в следующих целях: а) для иллюстрации тех явлений, которые трудно или невозможно продемонстрировать иными способами; б) для количественного подтверждения изучаемых закономерностей; в) для мотивации изучения нового материала путем выдвижения познавательных задач и создания проблемных ситуаций перед началом рассмотрения новых тем курса. Показывается, что созданные нами автоматизированные количественные демонстрационные эксперименты могут также использоваться для решения таких дидактических задан, как проверка гипотезы, получение индуктивного вывода, проверка дедуктивного вывода и иллюстрация объяснения преподавателя. При этом для каждого из созданных новых автоматизированных демонстрационных экспериментов предлагаются способы их применения при чтении лекции по соответствующей теме.

В четвертой главе «Педагогический эксперимент по применению в учебном процессе классического университета автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов» описываются общая характеристика, методы проведения и результаты педагогического эксперимента, проведенного нами в целях проверки идеи исследования. С целью осуществления такой проверки было необходимо получить подтверждение того, что применение АДАПК для постановки количественных демонстрационных экспериментов:

1) является востребованным, т.е. что разработка АДАПК для количественных демонстрационных экспериментов и их применение в практике преподавания является одним из перспективных направлений развития техники и методики физического демонстрационного эксперимента;

2) повышает уровень усвоения студентами изучаемого материала по тем темам, дня поддержки преподавания которых предназначены созданные нами АДАПК;

3) активизирует познавательную деятельность студентов;

4) способствует повышению качества преподавания раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете.

Педагогический эксперимент по проверке идеи исследования был построен по классической схеме и включал в себя три этапа: 1) констатирующий; 2) поисковый; 3) обучающий. Общая характеристика проведенного педагогического эксперимента иллюстрируется следующей таблицей._

Этап Сроки Экспериментальная база Участники Методы

1 19972000 гг. Физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова; 27 естественно-научных ф-ов классических ун-тов РФ; 116 технических и педагогических ун-тов РФ. 9 профессоров и 26 преподавателей МГУ; 647 авторов статей в журналах и тезисов докладов на научно-методических конференциях. Анализ литературных источников, беседа с лекторами, опрос преподавателей.

2 19992002 гг. Физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова. 5 профессоров, студенты 7 учебных потоков 1-х курсов физического ф-та МГУ. Экспериментальное преподавание (наблюдение, беседа с лекторами).

3 2001 -2004 гг. Физический ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова. 19 лекторов; 554 студента 4 учебных потоков 2 и 3 курсов физического ф-та МГУ. Анкетирование студентов, экспертная оценка.

Целью констатирующего этапа педагогического эксперимента являлось изучение современного состояния предмета исследования, определение возможных направлений ведения научно-исследовательской работы, выяснение степени актуальности предполагаемой темы диссертации и подтверждение востребованности и перспективности применения количественных демонстрационных экспериментов. При проведении констатирующего этапа использовались такие экспериментальные методы, как анализ литературных источников, беседа и опрос. В рамках этого этапа была подобрана и проанализирована научно-методическая литература (статьи, труды и тезисы), посвященная проблематике экспериментальной поддержки преподавания физики в вузе и содержащая публикации о последних достижениях в области физического демонстрационного эксперимента. Всего были изучены аннотации 385 статей и 983 трудов и тезисов. Было установлено, что научно-методическая работа в этой области ведется, как минимум, в 48 высших учебных заведениях РФ. Были выявлены 86 работ, посвященных демонстрационному физическому эксперименту, среди которых лишь 9 работ оказались посвященными автоматизированному лекционному экспери-

мету. Проведенная работа позволила сделать вывод о том, что число имеющихся разработок по тематике настоящего диссертационного исследования весьма невелико. Также в ходе констатирующего этапа были проведены беседы с профессорами, читающими лекции по разделу «Механика» курса общей физики для студентов 1,2 и 3 курсов физического, химического, геологического факультетов и факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ Кроме того, был проведен опрос 26 опытных преподавателей физического факультета МГУ, ведущих семинарские занятия для студентов 1 и 2 курсов этого факультета. Все опрошенные профессора являлись докторами физ.-мат. н^к; преподаватели имели ученую степень кандидата физ.-мат. наук, занимали должности старшего преподавателя или доцента, и имели стаж педагогической деятельности в МГУ более 10 лет. Профессорам и преподавателям предлагалось высказать свои мнения относительно необходимости обеспечения преподаваемого ими раздела «Механика» автоматизированными лекционными демонстрациями, а также сформулировать свои пожелания относительно круга физических явлений и эффектов, для демонстрации которых было бы целесообразно разработать новые лекционные демонстрации. Кроме того, выяснялось отношение профессоров и преподавателей к практике применения в лекционном процессе по общей физике имеющихся автоматизированных демонстрационных экспериментов, а также о востребованности таких экспериментов и об их перспективности. Результаты констатирующего этапа подтвердили актуальность выбора темы диссертации, позволили уточнить идею исследования, определить его цели и задачи. Полученные результаты также подтвердили первое из четырех положений, обосновываемых с целью проверки идеи исследования. Пожелания, высказанные лекторами и преподавателями, послужили ориентиром при разработке набора новых автоматизированных демонстрационных экспериментов и дали возможность выбрать наиболее эффективную форму реализации будущих автоматизированных лекционных демонстраций - в составе автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов.

В задачи поискового этапа педагогического эксперимента входили создание и апробация АДАПК, предназначенных для постановки количественных демонстрационных экспериментов для раздела «Механика» курса общей физики, а также разработка методики применения АДАПК и их использование в учебном процессе классического университета. При проведении данного этапа в качестве метода исследования использовалось экспериментальное преподавание раздела «Механика» курса общей физики для студентов семи учебных потоков 1 курсов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова с применением разрабатываемых автоматизированных лекционных демонстраций. В процессе экспериментального преподавания осуществлялось наблюдение за студентами в ходе 35 прочитанных им лекций, а также проводились беседы с лекторами (пятью профессорами физического факультета МГУ). Для каждого из разрабатываемых АДАПК исследования велись в соответствии со следующим плане»!: 1 ) выявление круга явлений и эффектов, для демонстрации которых целесообразно ставить автоматизированные демонстрационные эксперименты; 2) проектирование экспериментальной установки; 3) разработка и создание средств сопряжения установки с компьютером; 4) изготовление экспериментальной установки, ее сборка и наладка; 5) создание программного обеспечения, тестирование установки, определение ее возможнос-

тей; 6) построение математических моделей процессов, происходящих в установке, и использование этих моделей для теоретических исследований функционирования установок; 7) исправление конструктивных недостатков установки, выявленных при ее тестировании и теоретических исследованиях; 8) выбор математических методов и разработка алгоритмов, обеспечивающих необходимую скорость расчетов и точность измерений; 9) постановка набора автоматизированных демонстрационных экспериментов - в тем числе изготовление вспомогательных приспособлений, постановка пробных экспериментов, разработка техники проведения демонстраций и предварительного варианта программного обеспечения; 10) разработка идеологии пользовательского интерфейса и создание реализующего его программного обеспечения; 11) экспериментальное преподавание - в том числе применение созданных нами автоматизированных демонстрационных экспериментов на лекциях по механике, наблюдение за реакцией студентов на показываемые новые демонстрации, выявление ранее не учтенных конструктивных недостатков и дефектов программного обеспечения, отработка методики применения новых демонстрационных экспериментов при преподавании соответствующих тем раздела «Механика»; 12) беседы с лекторами - являлись частью экспериментального преподавания и проводились непосредственно после лекций, на которых применялись новые демонстрационные эксперименты, с целью выявления замечаний и пожеланий лекторов; 13) исправление выявленных недостатков с учетом замечаний и пожеланий лекторов, расширение круга пред лагаемых автоматизированных демонстрационных экспериментов; 14) Завершение работы над созданием (модернизацией) АДАПК, включающее в себя оформление окончательного варианта программного обеспечения, а также разработку краткого описания методики применения новых автоматизированных демонстрационных экспериментов.

При работе по указанному плану были созданы действующие образцы новых демонстрационных приборов, использующих при своей работе современные математические методы и возможности современной компьютерной техники. Были предложены новые автоматизированные демонстрационные эксперименты для раздела «Механика» курса общей физики, разработана и апробирована техника их постановки. Проведенная апробация новых автоматизированных демонстрационных экспериментов на лекциях позволила предложить и проверить методику их применения при преподавании в классическом университете раздела «Механика», а также внедрить созданные нами АДАПК в учебный процесс классического университета.

В ходе обучающего этапа педагогического эксперимента были проведены исследования, направленные на получение оценки эффективности применения созданных нами АДАПК при преподавании курса общей физики. В качестве методов исследования использовались анкетирование и экспертная оценка. Во время обучающего этапа разработанные нами автоматизированные демонстрационные эксперименты использовались при чтении лекций по механике, после чего при помощи опроса анализировалось отношение студентов к продемонстрированным им экспериментам и выяснялось их мнение относительно влияния таких лекционных демонстраций на повышение уровня усвоения изучаемого материала. Для опроса использовалась анкета с вопросами неальтернативного типа, в нем приняли участие 554 студента. Опрос показал, что 88% опрошенных студентов наблю-

дали на лекциях по физике созданные нами новые автоматизированные демонстрационные установки. При этом 65% от числа респондентов отметили, что просмотр автоматизированных количественных демонстраций на лекциях по физике помог им повысить уровень понимания изучаемого материала; 38% студентов считают, что применение таких демонстраций позволяет лучше понять изучаемый материал, поскольку демонстрируются не только качественные, но и количественные закономерности; 76% опрошенных указали, что такие демонстрации позволяют увидеть явления, наблюдение которых обычным способом невозможно; 30% студентов считают, что данные демонстрации вызывают интерес к методам автоматизации физического эксперимента; 28% - что они осовременивают чтение лекций по физике; 8% опрошенных считают, что автоматизированные демонстрации на лекциях по физике не нужны. Таким образом, анализ ответов студентов на вопросы анкеты дает подтверждение второго и третьего из четырех положений, обосновываемых с целью проверки идеи исследования.

Также в ходе обучающего этапа был проведен опрос экспертов, в качестве которых привлекались 19 лекторов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, читавших лекции по курсу общей физики для различных категорий учащихся МГУ: студентов физического факультета, студентов естественнонаучных факультетов, слушателей Центра повышения научно-педагогической квалификации факультета дополнительного образования, а также для интересующихся физикой школьников старших классов. Все эксперты являлись кандидатами или докторами физ.-мат. наук, 12 из них были профессорами, стаж педагогической работы экспертов лежал в пределах от 8 до 50 лет. В ходе опроса 17 экспертов указали, что считают необходимым использование на лекциях по курсу общей физики автоматизированных количественных демонстраций, что автоматизированные демонстрационные эксперименты могут позволить повысить качество преподавания раздела «Механика» курса общей физики, что автоматизированные демонстрационные эксперименты в настоящее время являются востребованными и что их разработка и применение в практике преподавания является одним из перспективных направлений развития техники и методики физического демонстрационного эксперимента.

Также была получена экспертная оценка созданных нами автоматизированных демонстрационных экспериментов с точки зрения их интереса для нужд преподавания курса общей физики. Для этого все указанные лекционные демонстрации были разделены на 14 тематических групп, и была издана методическая разработка, содержащая описания демонстраций и методические указания по их применению. Все эксперты ознакомились с этой разработкой, и более чем 50% экспертов признали, что 11 групп демонстраций представляют значительный интерес. Остальные 3 группы демонстраций были признаны интересными более чем 30% экспертов. 15 экспертов указали, что готовы использовать созданные нами новые демонстрационные эксперименты на своих лекциях. Кроме того, 13 экспертов представили развернутые заключения по оцениваемым ими лекционным демонстрациям, дав положительную оценку проведенной работы по созданию новых автоматизированных демонстрационных экспериментов.

Проведенная экспертная оценка позволила обосновать второе, третье и четвертое положения, выдвинутые с целью проверки идеи исследования, а также дополни-

тельно подтвердить результата, полученные в ходе констатирующего этапа педагогического эксперимента. Кроме того, поскольку данные экспертами оценки основывались на изучении разработанных нами методических рекомендаций и частично -на личном опыте применения оцениваемых демонстрационных экспериментов на лекциях, то можно считать установленным, что использование пред ложенной нами методики обеспечивает эффективное применение созданных нами АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете.

Таким образом, совокупность результатов, полученных в ходе констатирующего, поискового, и обучающего этапов педагогического эксперимента, свидетельствует, что применение автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов для постановки количественных демонстрационных экспериментов приводит к повышению эффективности демонстрационного эксперимента, т.е. идея данного диссертационного исследования подтверждается.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в ходе диссертационного исследования, приведены данные об использовании результатов работы в учебном процессе и обозначены возможные направления дальнейших исследований.

В приложениях приведены материалы, дополняющие и поясняющие основную часть диссертационной работы, в тем числе: перечень научных и методических тематических журналов и сборников, содержащих публикации по теме «Демонстрационный физический эксперимент в высшей школе»; описание и код предложенной нами компьютерной программы, реализующей измерение интервалов времени с использованием возможностей операционной системы MS DOS; описание усовершенствованного варианта прибора Рухардта, который применялся в данной работе для постановки автоматизированного демонстрационного эксперимента по теме «Автоколебания»; некоторые экспертные заключения об автоматизированных количественных демонстрационных экспериментах, полученные в ходе педагогического эксперимента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного анализа научной и методической литературы, посвященной технике и методике постановки современного демонстрационного физического эксперимента, а также основным способам использования компьютеров для поддержки лекций по курсу общей физики, теоретически обоснована целесообразность применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов.

2. На основе анализа методических требований к классическому демонстрационному физическому эксперименту предложены теоретические принципы построения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов для количественных лекционных экспериментов по разделу «Механика» курса общей физики, основными из которых являются многофункциональность, тематическая целостность и техническая полнота. Сформулированы и теоретически обоснованы требования к аппаратной и программной частям этих комплексов.

3. В результате осущесталенной разработки экспериментальных установок и программного обеспечения созданы три автоматизированных демонстрационных аппа-

ратно-программных комплекса и модернизирован один такой комплекс, предназначенные для постановки количественных демонстрационных экспериментов при преподавании подразделов «Механика твердого тела», «Механические колебания», «Механика сплошных сред» и «Механика материальной точки» курса общей физики.

4. На основе результатов проведенного теоретического и экспериментального изучения характеристик и возможностей разработанного оборудования, с использованием созданных автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов поставлено 23 новых автоматизированных демонстрационных эксперимента для четырех подразделов раздела «Механика» курса общей физики: проверка второго закона Ньютона для случая действия зависящей от времени силы при «абсолютно упругом» ударе; проверка второго закона Ньютона

• для случая действия зависящей от времени силы при частично упругом ударе;

проверка второго закона Ньютона для случая действия зависящей от времени силы при абсолютно неупругом ударе; изучение кинематики вращательного движения; проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянной величине момента инерции; проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянной величине момента внешней силы; измерение главных центральных осевых моментов инерции 7 симметричных тел (измеряются 15 значений/у специально изготовленных стандартных тел); проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера; осциллографическая запись колебаний; получение зависимостей кинематических характеристик колебаний от времени и фазовых портретов; изучение затухающих колебаний при наличии вязкого трения, пропорционального скорости; изучение затухающих колебаний при наличии вязкого трения, пропорционального квадрату скорости; изучение затухающих колебаний при наличии «сухого» трения; изучение связанных колебаний; получение мод колебаний; спектральный анализ «цуга»; получение в спектре колебаний второй гармоники; получение в спектре колебаний набора высших гармоник; получение в спектре колебаний нечетных гармоник; наблюдение комбинационных частот; изучение неизохронности колебаний физического маятника, т.е. зависимости частоты его колебаний от амплитуды; изучение автоколебаний с использованием демонстрационной установки «Прибор Рухардта»; измерение коэффициентов лобового сопротивления Сх у тел различной формы (измеряются 7 значений Сх у специально изготовленных стандартных тел).

5. Разработана методика применения созданных автоматизированных де-

-» монстрационных аппаратно-программных комплексов при преподавании раз-

дела «Механика» курса общей физики в классическом университете. В соответствии с ней необходимо проводить количественные демонстрационные экспе-

, рименты для каждого из подразделов курса в сочетании с классическими лек-

ционными демонстрациями и в следующих целях: а) для иллюстраций явлений, которые трудно или невозможно продемонстрировать иными способами; б) для количественного подтверждения изучаемых закономерностей; в) для мотивации изучения нового материала путем выдвижения познавательных задач и создания проблемных ситуаций перед началом рассмотрения новых тем курса.

6. Проведенный педагогический эксперимент показал, что применение созданных автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных ком-

плексов для постановки количественных демонстрационных экспериментов повышает уровень усвоения студентами изучаемого материала, активизирует познавательную деятельность студентов, способствует повышению качества преподавания раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете. Также показано, что эффективное применение созданных АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете может быть достигнуто путем использования разработанной методики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1. Алешкевич В.А., Бегун А.Ю., Киселев Д.Ф., Сухарева H.A., Чеченда-ев A.B., Якута A.A. Количественный автоматизированный демонстрационный эксперимент в курсе общей физики. // Физическое образование в ВУЗах. - 1996.- Серия «Б», т.2. - 3. - С.21-29.

2. Бегун А.Ю., Семенов М.В., Якута A.A. Измерение импульса силы при соударениях. // Физическое образование в ВУЗах. - 1997. - Т.З. - 4. - С.30-40.

3. Бегун А.Ю., Виноградов М.П., Семенов М.В., Якута A.A. Использование датчика силы для изучения механических колебаний. // Физическое образование в ВУЗах. - 1997. - Т.З. - 4. - С.41-49.

4. Бегун А.Ю., Виноградов М.П., Семенов М.В., Якута A.A. Датчик углового перемещения и автоматизированные демонстрационные эксперименты на его основе. // Физическое образование в ВУЗах. -1997. - Т.З. - 4. - С.50-58.

5. Дунин М.С., Семенов М.В., Якута A.A. Новые автоматизированные лекционные эксперименты по теме «Механические колебания». // Физическое образование в вузах. - 1999. - Т.5. - 4. - С. 160-173.

6. Семенов М.В., Якута A.A. Измерение ускорения свободного падения баллистическим методом в рамках демонстрационного эксперимента. // Физическое образование в вузах. - 2002. - Т.8. - 3. - С.55-66.

7. Семенов М.В., Якута A.A. Новая автоматизированная лекционная демонстрация «Измерение коэффициента лобового сопротивления у тел различной формы». // Физическое образование в вузах. -2002. - Т.8. - 4. - С.134-142.

8. Семенов М.В., Якута A.A. Автоматизированная демонстрационная установка «Стол на воздушной подушке» и лекционные эксперименты на ее основе. // Физическое образование в вузах. - 2004. - Т. 10. -1. - С. 55-70.

9. Бегун А.Ю., Потехин В.В., Стиславский A.B., Сухарева H.A., Чечендаев -A.B., Якута A.A. Количественный демонстрационный эксперимент раздела «Физическая оптика» курса общей физики. // III международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. - Петрозаводск, 1995. -С.48-49.

10. Бегун А.Ю., Якута A.A. Измерение показателя адиабаты у газов. // Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-96»: Тез. докл. - М., 1996. - С.46-48.

11. Бегун А.Ю., Семенов М.В., Якута A.A. Усовершенствованная методика измерения показателя адиабаты у у газов в общем физическом практикуме. // 1-я

Всероссийская научно-методическая конференция «Университетский курс общей физики: современные проблемы»: Тез. докл. - М., 1996. - С. 106-109.

12. Бегун А.Ю., Семенов М.В., Якута A.A. Измерение импульса силы при соударениях. // IV Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. - Волгоград, 1997. -С.113-115.

13. Дунин М.С., Семенов М.В., Якута A.A. Новые автоматизированные лекционные эксперименты по теме «Механические колебания». // V Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. -С.-Пб., 1999. - Т.1. - С.49-51.

14. Семенов М.В., Якута A.A. О пособиях по лекционному эксперименту «Механика твердого тела» и «Механика сплошных сред». // V Международная конфе-

• ренция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. - С.-Пб., 1999. -

Т.1.-С.57-58.

15. Семенов М.В., Якута A.A. Автоматизированная установка для демонстрационных экспериментов по механике твердого тела. // И Международная научно-методическая конференция «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз»: Тез. докл. - М., 2000. - С.72.

16. Семенов М.В., Якута A.A. Автоматизированные лекционные эксперименты по демонстрации нелинейных колебаний. // VI Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. - Ярославль,

2001.-T.II.-С.158-159.

17. Семенов М.В., Якута A.A. Новая автоматизированная лекционная демонстрация «Измерение коэффициентов лобового сопротивления у тел различной формы». // VII учебно-методическая конференция стран Содружества «Современный физический практикум»: Тез. докл. - С.-Пб., 2002. - С. 172.

18. Семенов М.В., Якута A.A. Автоматизированный лекционный эксперимент по измерению ускорения свободного падениябаллистическим методом. // VII учебно-методическая конференция стран Содружества «Современный физический практикум»: Тез. докл. - С.-Пб., 2002. - С.265.

19. Семенов М.В., Рыжиков С.Б., Якута A.A. Некоторые замечания к решению задачи о падении тела в воздухе. // Международная конференция «Проблемы физического образования в средней и высшей школе»: Тез. докл. - Рязань,

2002. - С. 133-134.

20. Селиверстов A.B., Якута A.A. Принципы построения комплексов для ■> количественного лекционного эксперимента по физике. // Первая Международная конференция «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий (ELIT-I)»: Тез. докл. - С.-Пб., 2003. - С.27-28.

21. Семенов М.В., Нагорский Н.М., Якута A.A. Современные автоматизированные лекционные демонстрации по разделу «Механика» курса общей физики. // Научная конференция «Ломоносовские чтения - 2004». Секция «Физика»: Расш. тез. докл. - М., 2004. - С. 156-160.

22. Семенов М.В., Якута A.A. Автоматизированные лекционные эксперименты на основе демонстрационной установки «Стол на воздушной подушке». // VIII Международная учебно-методическая конференция «Современный физический практикум»: Тез. докл. - М., 2004. - С. 74-75.

Р-1764

РНБ Русский фонд

2005-4 47254

Подписано в печать 21.01.05 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать ризо. Усл. печ. л. 1,3. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 150 экз. Заказ № 8.

Отдел оперативной печати физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. 119992, ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ современного демонстрационного физического эксперимента и разработка принципов создания автоматизированных лекционных демонстраций по физике

1.1. Применение компьютеров в лекционных демонстрациях

1.2. Методические принципы отбора демонстрационных экспериментов для использования в автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексах

1.3. Основные принципы построения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов

Выводы к первой главе

ГЛАВА 2. Создание автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов для раздела «Механика» курса общей физики

2.1. Модернизация автоматизированного демонстрационного аппаратно-программного комплекса для подраздела

Механика материальной точки» курса общей физики

2.2. Автоматизированный демонстрационный аппаратно-программный комплекс для подраздела «Механика твердого тела» курса общей физики

2.2.1. Устройство демонстрационной установки

Стол на воздушной подушке»

2.2.2. Система регистрации данных и метод определения угловой координаты

2.2.3. Изучение характеристик демонстрационной установки и обоснование методики обработки экспериментальных данных

2.2.3.1. Изучение влияния нескомпенсированного момента сил на вращательное движение платформы

2.2.3.2. Учет влияния сил трения, масс блоков и нити на вращательное движение платформы

2.2.3.3. Измерение эффективного момента инерции подвижных частей установки

2.2.3.4. Изучение зависимости эффективного собственного момента силы от величины приложенного момента внешних сил и от нагрузки платформы

2.3. Автоматизированный демонстрационный аппаратно-программный комплекс для подраздела «Механические колебания» курса общей физики

2.3.1. Демонстрационная установка для изучения собственных механических колебаний

2.3.1.1. Устройство демонстрационной установки

2.3.1.2. Методы обработки экспериментальных данных

2.3.2. Демонстрационная установка для изучения автоколебаний

2.4. Автоматизированный демонстрационный аппаратно-программный комплекс для подраздела «Механика сплошных сред» курса общей физики

2.4.1. Демонстрационная установка для изучения падения тел в воздухе

2.4.1.1. Устройство демонстрационной установки и способ проведения экспериментов

2.4.1.2. Построение математической модели явления

2.4.1.3. Метод обработки экспериментальных данных

2.4.2. Использование демонстрационной установки для изучения падения тел в воздухе в качестве модели баллистического гравиметра

2.4.2.1. Обоснование модифицированного баллистического метода измерения ускорения свободного падения

2.4.2.2. Исследование возможности использования демонстрационной установки для определения вида зависимости силы вязкого трения от скорости

Выводы ко второй главе

ГЛАВА 3. Методика применения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики

3.1. Демонстрационные эксперименты по проверке второго закона Ньютона при действии переменной силы

3.1.1. Проверка второго закона Ньютона при «абсолютно упругом» соударении тел

3.1.2. Проверка второго закона Ньютона при частично упругом соударении тел

3.1.3. Проверка второго закона Ньютона при абсолютно неупругом соударении тел

3.2. Демонстрационные эксперименты по изучению механики вращательного движения вокруг фиксированной оси

3.2.1. Изучение кинематики вращательного движения

3.2.2. Проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянном моменте инерции

3.2.3. Проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянном моменте внешней силы

3.2.4. Измерение главных центральных осевых моментов инерции симметричных тел

3.2.5. Проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера

3.3. Демонстрационные эксперименты по изучению механических колебаний

3.3.1. Изучение кинематики колебательного движения

3.3.2. Изучение затухающих колебаний при наличии различных сил трения

3.3.3. Изучение связанных колебаний и спектральный анализ колебательных процессов

3.3.4. Изучение неизохронности колебаний физического маятника

3.3.5. Изучение автоколебаний

3.4. Демонстрационные эксперименты по изучению падения тел в воздухе

3.4.1. Измерение коэффициентов лобового сопротивления у тел различной формы

3.4.2. Измерение ускорения свободного падения модифицированным баллистическим методом

3.5. Рекомендации по использованию новых автоматизированных количественных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики

Выводы к третьей главе

ГЛАВА 4. Педагогический эксперимент по применению в учебном процессе классического университета автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов

4.1. Констатирующий этап педагогического эксперимента

4.2. Поисковый этап педагогического эксперимента

В практике преподавания курса общей физики в классических университетах большое внимание традиционно уделяется демонстрационным экспериментам, позволяющим наблюдать реальные физические явления и служащим базой для излагаемых теоретических положений. Постановкой демонстрационного эксперимента в разное время занимались ведущие ученые и профессора университетов, которые стремились использовать для этого самые современные технические средства. В настоящее время происходит интенсивное внедрение вычислительной техники в учебный процесс. Компьютер предоставляет преподавателю и обучающемуся массу новых возможностей. К числу возможностей, наиболее часто реализуемых для нужд учебного процесса, в частности, относятся:

- автоматизация экспериментальных учебных установок (как лабораторных, так и демонстрационных) [21, 60, 79, 95, 96,111,162];

- численное моделирование различных физических явлений [28,29,155,166];

- создание различных баз данных, допускающих использование для нужд учебного процесса [31, 61, 63];

- использование различных мультимедиа-технологий (работа со справочниками, обучающими и тестирующими программами, и т.п.) [34,74,150,151, 152,153];

- доступ к информационным ресурсам всемирной сети Internet (в том числе - пользование справочными ресурсами, тестирующими модулями, системами удаленного доступа к эксперименту) [31, 56, 61, 117].

Особый интерес для использования в практике преподавания курса общей физики представляет автоматизация экспериментальных учебных установок, которая позволяет изучать реальные физические явления, а не их модели. Следует различать автоматизацию установок в лабораторном практикуме и автоматизацию демонстрационного - или, как его часто называют, лекционного - эксперимента.

Автоматизация эксперимента в лабораторном практикуме [23, 67] имеет много общего с аналогичной задачей, которую приходится решать в научных лабораториях при сопряжении с компьютером установок исследовательского эксперимента [53,2]. Такие установки обычно стационарны, то есть собираются и разбираются достаточно редко. Кроме того, учащиеся, работающие на этих установках, обычно имеют некоторый запас времени как для проведения эксперимента, так и для его повторения (в случае возникновения такой необходимости). Наконец, результаты этих экспериментов в большинстве случаев могут быть обработаны не непосредственно по окончании измерений, а в течение некоторого срока после проведения эксперимента. Таким образом, при создании автоматизированных установок для лабораторного практикума разработчики имеют достаточно много степеней свободы и могут использовать весь обширный опыт, накопленный при автоматизации научных исследований. В настоящее время существует большое количество учебных лабораторных установок, работающих с использованием компьютера, которые успешно применяются в общем физическом практикуме [1, 25, 24, 89,103, 26, 68].

Иначе обстоит дело с автоматизацией демонстрационного эксперимента. Основная трудность здесь состоит в том, что такие эксперименты демонстрируются непосредственно во время чтения лекций. В связи с этим эксперимент должен быть наглядным и легко объяснимым, должен проходить быстро (в течение нескольких минут), а результаты должны выводиться сразу после его окончания в удобном для восприятия виде (таблицы, графики). Кроме того, установка для проведения эксперимента должна достаточно просто собираться и разбираться и легко сопрягаться с компьютерной техникой. По изложенным причинам создание и методика применения в учебном процессе автоматизированных установок, предназначенных для показа демонстрационных экспериментов по физике, представляет собой научно-методическую проблему, требующую для своего решения новых технических и методических подходов, отличных от используемых при автоматизации лабораторного эксперимента.

Важность сформулированной проблемы обусловлена тем, что до сих пор подавляющее большинство показываемых на лекциях по физике демонстрационных экспериментов имеет «качественный» характер, то есть они демонстрируют само физическое явление без каких-либо численных результатов. Лекционные эксперименты такого типа, безусловно, занимают важное место в процессе преподавания курса общей физики, однако они не в полной мере отвечают современному состоянию используемой в науке и технике приборной базы, одной из характерных черт которого в настоящее время является интенсивное применение средств и методов вычислительной техники. Кроме того, использование одних лишь «качественных» демонстрационных экспериментов сужает возможности лектора при обучении студентов физике, не позволяя ему приводить количественные доказательства справедливости изучаемых закономерностей. При этом современное состояние компьютерной техники вполне позволяет проводить не только «качественные», но и количественные демонстрационные эксперименты, что дает возможность непосредственно на лекциях получать, обрабатывать и представлять данные, оценивать их точность и, таким образом иллюстрировать справедливость изучаемых физических закономерностей. Поэтому можно говорить о том, что автоматизация дает возможность создания нового класса демонстрационных установок - установок для проведения количественного автоматизированного демонстрационного эксперимента. Использование при чтении лекций таких установок наряду с классическими опытами позволяет значительно осовременить процесс преподавания курса общей физики, продемонстрировать обучаемым методы, применяемые в научных лабораториях для экспериментальных исследований, познакомить обучаемых с возможностями современной вычислительной техники, а также расширить круг демонстрируемых явлений за счет эффектов, проявления которых недоступны непосредственному визуальному наблюдению и требуют точного количественного анализа. Однако до настоящего времени количество созданных и внедренных в учебный процесс экспериментальных установок, позволяющих проводить количественный демонстрационный эксперимент по различным разделам курса общей физики, весьма невелико. Следовательно, существует противоречие между имеющимися потребностями поддержки процесса преподавания курса общей физики в классическом университете современными автоматизированными лекционными демонстрациями и недостатком специальных приборов, отсутствием единого научного подхода к их созданию и неразработанностью методики их применения в практике преподавания. Указанное противоречие определяет актуальность проводимого исследования.

При конкретизации возможных направлений исследования было учтено, что одной из характерных особенностей лекционного эксперимента, существенно отличающих его от экспериментов других типов, является выразительность (или наглядность). Поэтому разрабатываемые автоматизированные демонстрационные установки нужно было создавать таким образом, чтобы они совмещали в себе высокую степень наглядности, характерную для классического «качественного» эксперимента, с возможностью получения количественных результатов. Кроме того, ввиду значительности объема курса общей физики, преподаваемого в настоящее время в классических университетах, было решено при проведении исследования ограничиться тематикой лишь одного раздела курса. В качестве такого раздела был выбран раздел «Механика», поскольку именно с него в классическом университете традиционно начинается изучение курса общей физики. Все это определило выбор темы исследования: «Создание и методика применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов (на примере раздела «Механика» курса общей физики классического университета)».

Сформулированная тема определила объект исследования данной диссертационной работы и его предмет.

Объектом исследования являются процессы создания и применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов по физике.

Предметом исследования являются процесс создания и методика применения аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов при изучении раздела «Механика» в курсе общей физики классического университета.

Идея исследования состоит в том, что одним из путей повышения эффективности демонстрационного эксперимента является применение автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов (далее — АДАПК) для постановки количественных демонстрационных экспериментов.

В соответствии с выдвинутой идеей исследования сформулированы следующие цели исследования:

- теоретическое обоснование возможности применения АДАПК для постановки количественных лекционных экспериментов;

- разработка теоретических принципов построения АДАПК для количественных демонстрационных физических экспериментов, а также требований, предъявляемых к аппаратной и программной частям этих комплексов;

- создание АДАПК, предназначенных для постановки количественных лекционных экспериментов для раздела «Механика» курса общей физики классического университета;

- экспериментальная проверка возможностей использования АДАПК для постановки новых количественных демонстрационных экспериментов и модернизации имеющихся классических демонстрационных экспериментов;

- разработка методики применения созданных АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики;

- проверка методики применения АДАПК в учебном процессе.

Для достижения указанных целей исследования и проверки выдвинутой идеи поставлены следующие конкретные задачи:

- провести анализ научно-технической и научно-методической литературы, посвященной вопросам постановки современного демонстрационного эксперимента и использованию имеющихся разработок при преподавании курса общей физики в высшей школе;

- провести анализ методических требований к классическому демонстрационному физическому эксперименту; выдвинуть на их основе теоретические принципы построения АДАПК для количественных демонстрационных экспериментов, а также сформулировать и теоретически обосновать требования, предъявляемые к аппаратной и программной частям АДАПК;

- разработать аппаратную и программную части АДАПК, предназначенных для постановки количественных демонстрационных экспериментов по механике, и осуществить сопряжение созданных демонстрационных установок с компьютером;

- провести теоретический анализ характеристик и возможностей созданного оборудования, экспериментально проверить полученные теоретические выводы, разработать методику постановки количественных автоматизированных демонстрационных экспериментов с использованием созданных АДАПК;

- разработать методику применения созданных АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете;

- провести педагогический эксперимент по применению созданных АДАПК в учебном процессе классического университета.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: изучение и анализ монографий, специализированных журналов, трудов и сборников тезисов научных и научно-методических конференций, литературы по технике и методике демонстрационного эксперимента; изучение и анализ государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности «Физика», примерных учебных программ классических университетов по курсу общей физики; проектирование и конструирование экспериментальных установок и средств их сопряжения с компьютерной техникой; программирование компьютера IBM PC с использованием языка высокого уровня Borland Pascal; применение методов классической динамики и теоретической механики, теории колебаний, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, теории статистической обработки результатов физического эксперимента, математического моделирования и численных методов; экспериментальное преподавание, опрос, анкетирование, получение экспертных оценок.

Научная новизна исследования состоит в том, что:

- разработаны научно-теоретические принципы построения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов и требования, предъявляемые к аппаратной и программной частям этих комплексов;

- созданы три автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплекса и модернизирован один такой комплекс, позволяющие демонстрировать цикл количественных демонстрационных экспериментов по механике;

- разработана и апробирована методика применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете.

Теоретическая значимость исследования определяется тем, что:

- теоретически обоснованы требования к аппаратной и программной частям АДАПК;

- построены математические модели, адекватно описывающие процессы, происходящие в разработанных демонстрационных установках;

- теоретически проанализированы возможности созданных АДАПК, получены оценки для максимальной скорости обмена данными между созданными экспериментальными установками и компьютером, сделаны оценки точности измерений, которую обеспечивают созданные АДАПК при постановке количественных автоматизированных лекционных экспериментов по механике;

- теоретически обосновано, что применение АДАПК для постановки количественных демонстрационных экспериментов является одним из перспективных направлений развития техники и методики лекционного физического эксперимента.

Практическая значимость исследования заключается в том, что:

- создан набор АДАПК и разработана методика их применения, которые могут использоваться для поддержки преподавания раздела «Механика» курса общей физики в высшей школе;

- поставлено 23 автоматизированных демонстрационных эксперимента для подразделов «Механика материальной точки», «Механика твердого тела», «Механические колебания» и «Механика сплошных сред» раздела «Механика» курса общей физики;

- разработаны методические рекомендации по применению новых автоматизированных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете;

- созданные в результате настоящего исследования АДАПК внедрены в учебный процесс физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, а их отдельные компоненты используются в Витебском государственном университете (Республика Беларусь) и в Кыргызско-Славянском Российском университете (Республика Кыргызстан);

- результаты исследований могут быть использованы при создании АДАПК для других разделов курса общей физики, а также для постановки лабораторных работ общего физического практикума;

- разработанные экспериментальные методы и полученные результаты могут использоваться при создании автоматизированных измерительных установок, предназначенных для проведения научных исследований.

Достоверность и обоснованность полученных в данной диссертационной работе научных результатов и выводов обеспечиваются адекватностью методов исследования поставленным в работе целям, опираются на результаты классической механики и дидактики физики, на анализ различных концепций применения компьютерной техники при преподавании физики в вузе, а также подтверждаются тем, что:

- сформулированные принципы построения АДАПК для количественных лекционных экспериментов по разделу «Механика» и требования к аппаратной и программной частям этих АДАПК не противоречат основным методическим требованиям, предъявляемым к демонстрационному учебному физическому эксперименту;

- предложенные теоретические описания и математические модели процессов, происходящих в созданных демонстрационных установках, соответствуют их реальному функционированию;

- экспериментальные результаты, полученные при использовании разработанных и созданных АДАПК, в пределах погрешностей измерений согласуются с результатами теоретических расчетов для соответствующих физических величин, и (или) с данными других авторов, опубликованными в научной и справочной литературе;

- целесообразность применения созданных АДАПК в учебном процессе классического университета при изучении раздела «Механика» курса общей физики подтверждается результатами проведенного педагогического эксперимента.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

- задача повышения эффективности количественного демонстрационного эксперимента может решаться путем создания и применения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов (АДАПК);

- АДАПК должны разрабатываться на основе набора специфических принципов и с учетом ряда требований, основными из которых являются многофункциональность, тематическая целостность и техническая полнота;

- при постановке новых автоматизированных количественных лекционных экспериментов, демонстрируемых с использованием АДАПК, должны применяться чувствительные и достаточно быстродействующие датчики физических величин, современные математические и программные методы, а также должны специально учитываться технические особенности аппаратной части АДАПК;

- создан набор АДАПК для использования в разделе «Механика» университетского курса общей физики, и на его основе поставлено 23 автоматизированных демонстрационных эксперимента по механике;

- методика применения АДАПК при обучении физике в классическом университете должна базироваться на том, что необходимо проводить количественные демонстрационные эксперименты для каждого из подразделов курса в сочетании с классическими лекционными демонстрациями и в следующих целях: а) для иллюстрации явлений, которые трудно или невозможно продемонстрировать иными способами; б) для количественного подтверждения изучаемых закономерностей; в) для мотивации изучения нового материала путем выдвижения познавательных задач и создания проблемных ситуаций перед началом рассмотрения новых тем курса.

Апробация исследования. Основные положения и результаты диссертационного исследования были доложены автором и обсуждались на:

1. III Международной конференции «Физика в системе современного образования», г. Петрозаводск, 26-30 июня 1995 г.

2. Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-96», г. Москва, 12 апреля 1996 г.

3. 1-й Всероссийской научно-методической конференции «Университетский курс общей физики: современные проблемы», г. Москва, 9-11 июля 1996 г.

4. IV Международной конференции «Физика в системе современного образования», г. Волгоград, 15-19 сентября 1997 г.

5. V Международной конференции «Физика в системе современного образования», г. С.-Петербург, 21-24 июня 1999 г.

6. II Международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз», г. Москва, 13-16 марта 2000 г.

7. VI Международной конференции «Физика в системе современного образования», г. Ярославль, 28-31 мая 2001 г.

8. VII учебно-методической конференции стран Содружества «Современный физический практикум», г. С.-Петербург, 28-30 мая 2002 г.

9. Международной конференции «Проблемы физического образования в средней и высшей школе», г. Рязань, 25-28 июня 2002 г.

10. Первой Международной конференции «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий (ELIT-I)», г. С.-Петербург, 30 июня - 3 июля 2003 г.

11. Научной конференции «Ломоносовские чтения - 2004». Секция «Физика», г. Москва, 20 - 27 апреля 2004 г.

12. VIII Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум», г, Москва, 22-24 июня 2004 г.

Материалы и основные результаты диссертационного исследования отражены в 22 публикациях, в том числе в 8 статьях в научных журналах [6, 13, 14, 17, 51, 131, 134,124] и в 14 тезисах докладов на научных конференциях [15, 16, 18,19, 52, 120,122, 123, 125, 127, 128,135, 136, 126].

Структура и объем диссертации. Диссертационное исследование содержит 246 страниц основного текста, 15 таблиц, 5 диаграмм, 46 рисунков, 6 фотографий и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 176 наименований, а также четырех приложений.

Выводы к четвертой главе

1. В результате констатирующего этапа педагогического эксперимента показано, что разработка АДАПК для количественных демонстрационных экспериментов и их применение в практике преподавания является одним из перспективных направлений развития техники и методики физического демонстрационного эксперимента.

2. В ходе поискового этапа педагогического эксперимента разработаны основные элементы АДАПК для количественных демонстрационных экспериментов по физике, созданы методические рекомендации по применению новых автоматизированных демонстрационных экспериментов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете, осуществлено внедрение созданных АДАПК в учебный процесс классического университета.

3. В результате обучающего этапа педагогического эксперимента показано, что применение созданных АДАПК для постановки количественных демонстрационных экспериментов повышает уровень усвоения студентами изучаемого материала по тем темам, для поддержки преподавания которых предназначены АДАПК, активизирует познавательную деятельность студентов, способствует повышению качества преподавания раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты и выводы, полученные при выполнении диссертационной работы.

1. В результате проведенного анализа научной и методической литературы, посвященной технике и методике постановки современного демонстрационного физического эксперимента, а также основным способам использования компьютеров для поддержки лекций по курсу общей физики, теоретически обоснована целесообразность применения автоматизированных аппаратно-программных комплексов для количественных демонстрационных экспериментов.

2. На основе анализа методических требований к классическому демонстрационному физическому эксперименту предложены теоретические принципы построения автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов для количественных лекционных экспериментов по разделу «Механика» курса общей физики, а также сформулированы и теоретически обоснованы требования к аппаратной и программной частям этих комплексов.

3. В результате осуществленной разработки экспериментальных установок и программного обеспечения созданы три автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплекса и модернизирован один такой комплекс, предназначенные для постановки количественных демонстрационных экспериментов при преподавании подразделов «Механика твердого тела», «Механические колебания», «Механика сплошных сред» и «Механика материальной точки» курса общей физики.

4. На основе результатов проведенного теоретического и экспериментального изучения характеристик и возможностей разработанного оборудования, с использованием созданных автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов поставлены 23 новых автоматизированных демонстрационных эксперимента для четырех подразделов раздела «Механика» курса общей физики: проверка второго закона Ньютона для случая действия зависящей от времени силы при «абсолютно упругом» ударе; проверка второго закона Ньютона для случая действия зависящей от времени силы при частично упругом ударе; проверка второго закона Ньютона для случая действия зависящей от времени силы при абсолютно неупругом ударе; изучение кинематики вращательного движения; проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянной величине момента инерции; проверка основного уравнения динамики вращательного движения при постоянной величине момента внешней силы; измерение главных центральных осевых моментов инерции ./симметричных тел (измеряются 15 значений J у специально изготовленных стандартных тел); проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера; осцил-лографическая запись колебаний; получение зависимостей кинематических характеристик колебаний от времени и фазовых портретов; изучение затухающих колебаний при наличии вязкого трения, пропорционального скорости; изучение затухающих колебаний при наличии вязкого трения, пропорционального квадрату скорости; изучение затухающих колебаний при наличии «сухого» трения; изучение связанных колебаний; получение мод колебаний; спектральный анализ «цуга»; получение в спектре колебаний второй гармоники; получение в спектре колебаний набора высших гармоник; получение в спектре колебаний нечетных гармоник; наблюдение комбинационных частот; изучение неизохронности колебаний физического маятника, т.е. зависимости частоты его колебаний от амплитуды; изучение автоколебаний с использованием демонстрационной установки «Прибор Рухардта»; измерение коэффициентов лобового сопротивления Сх у тел различной формы (измеряются 7 значений Сх у специально изготовленных стандартных тел).

5. Разработана методика применения созданных автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете. В соответствии с ней необходимо проводить количественные демонстрационные эксперименты для каждого из подразделов курса в сочетании с классическими лекционными демонстрациями и в следующих целях: а) д ля иллюстрации явлений, которые трудно или невозможно продемонстрировать иными способами; б) для количественного подтверждения изучаемых закономерностей; в) для мотивации изучения нового материала путем выдвижения познавательных задач и создания проблемных ситуаций перед началом рассмотрения новых тем курса.

6. Проведенный педагогический эксперимент показал, что применение созданных автоматизированных демонстрационных аппаратно-программных комплексов для постановки количественных демонстрационных экспериментов повышает уровень усвоения студентами изучаемого материала, активизирует познавательную деятельность студентов, способствует повышению качества преподавания раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете. Также показано, что эффективное применение созданных АДАПК при преподавании раздела «Механика» курса общей физики в классическом университете может быть достигнуто путем использования разработанной методики.

Дальнейшие исследования по тематике данной диссертационной работы могут быть связаны с дополнением и модернизацией описанных выше АДАПК для раздела «Механика» [122], с созданием новых АДАПК, предназначенных для использования при преподавании разделов «Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Оптика», «Физика атомов и атомных явлений» и «Физика атомного ядра и частиц» курса общей физики, а также с разработкой методики использования указанных АДАПК для постановки новых количественных демонстрационных экспериментов.

Другим перспективным направлением исследований является создание современных демонстрационных компьютерных программ, предназначенных для поддержки преподавания сложных подразделов и тем курса общей физики, которые по различным объективным причинам не могут быть обеспечены (или обеспечены недостаточно) натурными лекционными демонстрациями. К ним могут быть отнесены:

- подраздел «Специальная теория относительности», темы «Движение материальной точки в неинерциальной системе отсчета», «Виды деформаций», «Автоколебания, релаксационные и параметрические колебания» (раздел «Механика»);

- подраздел «Молекулярно-кинетическая теория газов», темы «Теплоемкость», «КПД циклических процессов», «Энтропия», «Кристаллические решетки» (раздел «Молекулярная физика»);

- темы «Проводники и диэлектрики в электростатическом поле», «Магнетики в магнитном поле, диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм», «Зонная теория твердых тел», «Сверхпроводимость» (раздел «Электричество и магнетизм»);

- темы «Энергия и давление электромагнитной волны», «Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей», «Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков», «Распространение света в анизотропных средах», «Излучение света», «Квантовые свойства света», «Устройство и принцип работы лазера», «Нелинейные оптические явления» (раздел «Оптика»);

- практически все подразделы разделов «Физика атомов и атомных явлений» и «Физика атомного ядра и частиц».

Проведение систематических исследований по данной тематике позволит значительно модернизировать экспериментальную базу для поддержки преподавания курса общей физики, которая на современном этапе должна сочетать классический демонстрационный эксперимент, автоматизированный количественный демонстрационный эксперимент и компьютерное моделирование.

Отметим, что в настоящее время уже опубликован ряд работ по результатам таких исследований [4, 5, 22, 33, 116, 139]. Среди них можно упомянуть компьютерный демонстрационный комплекс [100, 101], предназначенный для поддержки преподавания темы «Акустика» подраздела «Механика сплошных сред», который был разработан при участии автора данного диссертационного исследования.

В заключение я выражаю свою глубокую признательность моему научному руководителю - доценту кафедры общей физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Семенову Михаилу Владимировичу - за постановку задачи, руководство работой, многочисленные обсуждения, советы и критические замечания, а также за неоценимую практическую помощь, оказанную мне на всех этапах проведения исследований, подготовки и оформления диссертационной работы. Я также благодарю своего научного консультанта — профессора кафедры теории и методики обучения физике Московского педагогического государственного университета Смирнова Александра Викторовича- за консультативную помощь, оказанную при подготовке части диссертации, касающейся проведения педагогического исследования и оформления его результатов, а также за советы и критические замечания, высказывавшиеся им при обсуждении текста диссертации. Я также благодарен: заведующему кафедрой общей физики физического факультета МГУ профессору Салецкому A.M. и заведующему Кабинетом физических демонстраций доценту Слепкову А.И. - за создание условий для завершения работы над диссертацией, постоянное внимание и ценные советы; профессорам физического факультета МГУ Алешкевичу В.А., Караваеву В.А., Деденко Л.Г., Николаеву В.И. и Киселеву Д.Ф., а также доценту Сухаревой Н.А. - за внесенные ими предложения по возможной тематике исследований и составу разрабатываемого набора автоматизированных лекционных демонстраций, а также за высказанные замечания, направленные на улучшение структуры и содержания диссертационной работы; профессорам и преподавателям кафедр общей физики, общей физики и волновых процессов, общей физики и магнитоупорядоченных сред, общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ - за оказанное содействие в апробации новых автоматизированных демонстрационных экспериментов на лекциях и за дальнейшее участие в экспертной оценке эффективности применения этих экспериментов; инженерам и учебным мастерам кафедры общей физики физического факультета МГУ Мусаеву Т.Ш., Государеву В.Н., Посадскову Н.А. и Саввину А.Д. - за помощь в изготовлении механических узлов экспериментальных установок; сотрудникам и выпускникам физического факультета МГУ Яковлеву Д.В., Горбачеву М.Е. и Червякову А.В. - за помощь в разработке и сборке ряда электронных схем, а также за консультации по вопросам радиоэлектроники и схемотехники; сотрудникам, выпускникам, аспирантам и студентам физического факультета МГУ Виноградову М.П., Чечендаеву А.В., Бегуну А.Ю., Дунину М.С., По-техину В.В. и Нагорскому Н.М. - за консультации по архитектуре ЭВМ и написанию программного обеспечения, а также за помощь в разработке некоторых блоков компьютерных программ; коллегам по работе в Кабинете физических демонстраций Рыжикову С.Б., Старокурову Ю.В., Селиверстову А.В., Погожеву В.А. и Кувшинову Ф.А. - за высказанные в ходе проведенных мной исследований предложения по составу разрабатываемого набора лекционных демонстраций и за помощь в апробировании результатов работы на лекциях по курсу общей физики; сотрудникам учебного отдела физического факультета МГУ за помощь в организации обучающего этапа педагогического эксперимента; заведующему разделом «Молекулярная физика» общего физического практикума физического факультета МГУ доценту Булкину П.С. - за помощь в апробировании результатов работы в общем физическом практикуме; профессору физического факультета МГУ Полякову П.А. - за консультативную помощь, оказанную при оформлении диссертационной работы.

1. Авакянц Л.П., Пономарев А.С., Боков П.Ю., Митин И.В., Салецкий А.М., Червяков А.В. Статистика фотоотсчетов ФЭУ: Учеб. пособие - М.: Физический ф-т МГУ, 2004. - 20 с.

2. Автоматизированные системы сбора и моделирования данных / Кудинов И.А., Пономарев Ю.В., Рендель Ю.С. и др. М.: Физический факультет МГУ, 1998.-94 с.

3. Акимов А.И., Баранов А.Н., Салецкий A.M. Физический маятник: пути повышения точности измерения g. II Физическое образование в вузах. -2000. Т.6. - 2. - С. 52-61.

4. Алешкевич В.А., Ахметьев В.М. Компьютерная трехмерная графика в курсе общей физики «Механика». // VII международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. С.-Пб., 2003. -Т.З.-С. 219-221.

5. Алешкевич В.А., Ахметьев В.М. Параметрические колебания в курсе общей физики. // Физическое образование в вузах. 2000. - Т.7. - 4. - С. 44-49.

6. Алешкевич В.А., Бегун А.Ю., Киселёв Д.Ф., Сухарева Н.А., Чеченда-евА.В., Якута А.А. Количественный автоматизированный демонстрационный эксперимент в курсе общей физики. // Физическое образование в ВУЗах. Серия «Б». 1996. - Т.2. - 3. - С. 21-29.

7. Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А. Колебания и волны. Лекции. (Университетский курс общей физики): Учеб. М.: Физический факультет МГУ, 2001.-144 с.

8. Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А. Механика сплошных сред. Лекции. (Университетский курс общей физики): Учеб. М.: Физический факультет МГУ, 1998. - 92 с.

9. Алешкевич В.А., Деденко Л.Г., Караваев В.А. Механика твердого тела. Лекции. (Университетский курс общей физики): Учеб. М.: Физический факультет МГУ, 1997. - 72 с.

10. Алешкевич В.А., Сухарева Н.А. Современный лекционный эксперимент. // III международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. Петрозаводск, 1995. - С. 34-35.

11. Анциферов Д.И. Оптимизация школьного физического эксперимента: Дисс. докт. пед. наук. Курск, 1985. - 427 с.

12. Багинский А.В., Бельченко Ю.И., Задорожный A.M. и др. Описание лабораторных работ по физике. Измерительный практикум: Учеб. пособие. / Под ред. Багинского А.В. Н.: Изд-во НГУ, 1999. - 4.2. - 95 с.

13. Бегун А.Ю., Виноградов М.П., Семенов М.В., Якута А.А. Датчик углового перемещения и автоматизированные демонстрационные эксперименты на его основе. // Физическое образование в ВУЗах. 1997. - Т.З. - 4. - С. 50-58.

14. Бегун А.Ю., Виноградов М.П., Семенов М.В., Якута А.А. Использование датчика силы для изучения механических колебаний. // Физическое образование в ВУЗах. 1997. - Т.З. - 4. - С. 41-49.

15. Бегун А.Ю., Семенов М.В., Якута А.А. Измерение импульса силы при соударениях. // IV Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. Волгоград, 1997. - С. 113-115.

16. Бегун А.Ю., Семенов М.В., Якута А.А. Измерение импульса силы при соударениях. // Физическое образование в ВУЗах. 1997. - Т.З. - 4. - С. 30-40.

17. Бегун А.Ю., Якута А.А. Измерение показателя адиабаты у газов. // Международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-96»: Тез. докл. М., 1996. - С. 46-48.

18. Беженцев М.В. Техника и методика лекционного эксперимента по курсу физики. — Л.-М.: Главн. ред. технико-теоретической литературы, 1938. -281с.

19. Бем А .Я., Коржавина О. А. Применение ЭВМ в лабораторном практикуме по общей физике. // Сб. научн. трудов «Использование физического эксперимента и ЭВМ в учебном процессе» / Свердловский государственный педагогический институт. 1987. - С. 92-96.

20. Биченков Е.И., Климкин В.Ф., Клинков К.В. Лекционный эксперимент по волновой оптике с компьютерной под держкой. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2001. - №6. - С. 48-55.

21. Боков П.Ю., Иванцов А.А., Митин И.В., Нифанов А.С., Салецкий A.M., Червяков А.В. Автоматизация физического эксперимента. // VII учебно-методическая конференция стран Содружества «Современный физический практикум»: Тез. докл. С.-Пб., 2002. - С.34.

22. Боков П.Ю., Иванцов А.А., Митин И.В., Салецкий A.M., Червяков А.В. Изучение явления резонанса в колебательном контуре: Учеб. пособие.-М.: Физический ф-т МГУ, 2001. 20 с.

23. Боков П.Ю., Иванцов А.А., Митин И.В., Салецкий A.M., Червяков А.В. Амплитудные и фазовые соотношения в цепях переменного тока: Учеб. пособие. -М.: Физический ф-т МГУ, 2001. 18 с.

24. Боков П.Ю., Иванцов А.А., Митин И.В., Салецкий A.M., Червяков А.В. Исследование переходных процессов в RC-, RL- и RLC-цепях: Учеб. пособие. М.: Физический ф-т МГУ, 2001. - 18 с.

25. Боярчук А.А., Келдыш Л.В. От физического кабинета до Отделения общей физики и астрономии. // УФН. 1999. - Т.169. - 12. - С. 1289-1298.

26. Бутиков Е.И. Классическая динамика. Компьютерные модели в физике: Учеб. пособие. С.-Пб.: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 1996.-80 с.

27. Бутиков Е.И. Компьютерное моделирование в преподавании физики. // Сб. «Компьютерные технологии в высшем образовании». / МГУ. 1994. -С. 288-294.

28. Вабищевич М.Г., Куницын В.Е., Мусаев Т.Ш., Семенов М.В., Филиппов Н.С. Устройство для демонстрации законов динамики «Воздушная дорога с ЭВМ». // А.с. АС №1675927, выдано Госкомизобретений СССР 08.05.1991.

29. Васильев В.Н., Стафеев С.К. Единая система компьютерного тестирования: состояние и перспективы. // Открытое образование. -2002. 2. -С. 42-55.

30. Власов Т.В., Жуков М.А., Пономарев Ю.В., Савельев А.Б., Селиверстов А.В., Чутко О.В. Программные средства автоматизации в системе Lab-VIEW: Учеб. пособие. М.: Физический факультет МГУ, 1998. - 55 с.

31. Глазков В.В. Компьютерные демонстрации по рассеянию частиц. // VII международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. С.-Пб., 2003. - Т.З. - С. 227-228.

32. Гомулина Н.Н. Применение новых информационных и телекоммуникационных технологий в школьном физическом и астрономическом образовании: Дисс. на соиск. уч. степени канд. пед. наук. М., 2003. - 265 с.

33. Горбатов Д.С. Практикум по психологическому исследованию: Учеб. пособие. Самара: Изд. дом «БАХРАХ-М», 2003. - 272 с.

34. Горбачев А.Ф., Москалев В.А., Пивоваров Ю.Л. Физический лекционный кабинет Томского политехнического университета. // Физическое образование в вузах. 2003. - Т.9. - 2. - С. 103-108.

35. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Специальность 010400 «Физика», квалификация физик.-М.: Министерство образования РФ, 2000. - 27 с.

36. Грабовский М.А. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 2. Механика жидкостей и газов. / Под ред. Млодзеевского А.Б. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1948. - 160 с.

37. Грабовский М.А. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 3. Магнетизм. / Под ред. Млодзеевского А.Б. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1949. - 267 с.

38. Грабовский М.А. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 7. Колебания и волны. /Под ред. Млодзеевского А.Б. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1952. - 232 с.

39. Грабовский М.А., Млодзеевский А.Б., Телеснин Р.В. и др. Лекционные демонстрации по физике. / Под ред. Ивероновой В.И. М.: Наука, 1972. - 640 с.

40. Грабовский М.А., Млодзеевский А.Б., Усагин С.И. Каталог лекционных демонстраций по общему курсу физики (на правах рукописи). М.: Изд-во МГУ, 1959. - 144 с.

41. Грушинский Н.П. Основы гравиметрии. М.: Наука, 1983. - 352 с.

42. Даминов Р.В. Разработка методики оценки эффективности физического эксперимента: Дисс. канд. пед. наук. М., 1991. - 208 с.

43. Датчики измерительных систем. Кн. 1,2/ Аш Ж., Андре П., Бофрон Ж. и др. М.: Мир, 1992. - 900 с.

44. Деденко Л.Г., Киселев Д.Ф., Петерсон В.К., Слепков А.И. Общий физический практикум. Механика. М.: Изд-во МГУ, 1991. - С. 94-97.

45. Дементьев Ю.Н., Селиверстов А.В. Учебный комплекс по оптике на основе лазерной указки. // VI Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. Ярославль, 2001. - Т.П. — С. 207.

46. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Механика, теплота: Пособие для учителей / Буров В.А., Зворыкин Б.С., Кузьмин А.П. и др. / Под ред. Покровского А.А. М.: Просвещение, 1971.-366 с.

47. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Электричество. Оптика. Физика атома: Пособие для учителей / Буров В.А., Зворыкин Б.С., Кузьмин А.П. и др. / Под ред. Покровского А.А. -М.: Просвещение, 1972. 448 с.

48. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров типа IBM PC, XT и AT. М.: Финансы и статистика, 1992. - 543 с.

49. Дунин М.С., Семенов М.В., Якута А.А. Новые автоматизированные лекционные эксперименты по теме «Механические колебания». // Физическое образование в вузах. 1999. - Т.5.- 4. - С. 160-173.

50. Дунин М.С., Семенов М.В., Якута А.А., Новые автоматизированные лекционные эксперименты по теме «Механические колебания». // V Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. С.-Пб., 1999. - Т.1. - С. 49-51.

51. Задков В.Н., Пономарев Ю.В. Компьютер в эксперименте: Архитектура и программные средства систем автоматизации. М.: Наука, 1988. — 373 с.

52. Зимин А.И., Куницын В.Е., Матвеев А.Н., Мусаев Т.Ш., Семенов М.В. Устройство для демонстрации реактивного движения. // А.с. АС №1802370, выдано Госкомизобретений СССР 09.10.1992.

53. Зимин А.И., Куницын В.Е., Мусаев Т.Ш., Семенов М.В. Демонстрационный прибор по физике. // А.с. АС №1767514, выдано Госкомизобретений СССР 08.06.1992.

54. Зинчик А.А., Стафеев С.К., Селиверстов А.В. Сетевой виртуальный лабораторный практикум по оптике в режиме on-line доступа. // Конференция «Оптика и образование-2002»: Сб. трудов. С.-Пб, 2002. - С. 61-62.

55. Иван Филиппович Усагин. / Под ред. А.С. Предводителева. М.: Изд-во МГУ, 1959.-300 с.

56. Иверонова В.И., Грабовский М.А. Лекционные демонстрации по физике и задачи конференции. // I межвузовская конференция по лекционным демонстрациям «Методика и техника лекционных демонстраций»: Сб. трудов. М.: Изд-во МГУ, 1964. - С. 12-19.

57. Извозчиков ВА., Мартыненко В.П. Применение ЭВМ в эксперименте при обучении физике. // Сб. научн. трудов «Использование физического эксперимента и ЭВМ в учебном процессе» / Свердловский государственный педагогический институт. 1987. - С. 89-92.

58. Интернет-порталы: содержание и технологии: Сб. научн. статей. М.: Просвещение, 2003. - 720 с.

59. Использование виртуальных инструментов LabView / Жарков Ф.П., Каратаев

60. B.В., Никифоров В.В. и др. / Под ред. Демирчяна К.С. и Миронова В.Г. М.: Солон-Р, Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 1999. - 268 с.

61. Ишханов Б.С., Лисютин А.С., Павлов С.И. Компьютерные базы данных в учебном процессе. // Физическое образование в вузах. 2000. - Т.6. — 3. —1. C. 66-69.

62. Кабардин О.Ф. Методические основы физического эксперимента в средней школе: Автореф. дисс. докт. пед. наук. М., 1985. - 48 с.

63. Как провести социологическое исследование / Под ред. Горшкова М.К., Шереги Ф.Э. М.: Политиздат, 1990. - 288 с.

64. Калитеевский Н.И., Михалев B.C., Пеньков С.Н. и др. Некоторые лекционные демонстрации по курсу общей физики с использованием телевидения. // УФН. 1977. - Т.121. - Вып. 2. - С. 345-348.

65. Китов И.А., Митин И.В., Салецкий A.M., Червяков А.В. Базовая автоматизированная система для практикума по общей физике. // Съезд российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке»: Тез. докл. М., 2002. - С. 220.

66. Китов И.А., Митин И.В., Салецкий А.М., Червяков А.В. Изучение распределения термоэлектронов по энергии и скорости: Учеб. пособие. — М.: Физический ф-т МГУ, 1997. 16 с.

67. Корчажкин В.В., Куницын В.Е., Матвеев А.Н., Мусаев Т.Ш., Семенов М.В. Учебный прибор по физике. // А.с. АС №1756929, выдано Гос-комизобретений СССР 22.04.1992.

68. Костюнин А.В. Совершенствование лекционного эксперимента по общей физике в педвузе на основе информационного подхода: Дисс. канд. пед. наук. М., 1987.-235 с.

69. Кренцис Р.П., Сидоренко Ф.А., Кротов Д.В. Компьютерное и видеосопровождение лекций по общей физике: новые технологии. // Физическое образование в вузах. 1995. - Т. 1. - 1. - С. 47-52.

70. Кройтор Д.С. Лекционные демонстрации по физике. Кишинев, Лумина, 1974.-204 с.

71. Кулакова М.Я. Создание компьютерной обучающей среды для учебно-исследовательской работы на занятиях по физике: Автореф. дисс. канд. пед. наук. М., 1996. - 16 с.

72. Культин Н.Б. Программирование в Turbo Pascal 7.0 и Delphi. СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1997.-240 с.

73. Куницын В.Е., Лузянин Д.Б., Мусаев Т.Ш., Семенов М.В., Яковлев Д.В. Разработка демонстрационного комплекса по механике для средних школ: Отчет о НИР (на правах рукописи) / МГУ; руководитель Куницын В.Е. -М., 1989.-60 с.

74. Куницын В.Е., Лузянин Д.Б., Мусаев Т.Ш., Семенов М.В., Яковлев Д.В. Разработка экспериментального комплекса по механике на линии с ЭВМ для средних школ: Отчет о НИР (на правах рукописи) / МГУ; руководитель Куницын В.Е. М., 1992. - 76 с.

75. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: В 10 т. М.: Наука, 1988 - Гидродинамика. Т. VI. - 736 с.

76. Ланской Д.Е. О новой методике использования ЭВМ в теоретическом ядерном практикуме. // Сб. «Автоматизация научных исследований» (Под ред. Свешникова А.Г.) / Изд-во МГУ 1984. - С. 165-169.

77. Левченко Е.Ю., Лузгин К.В. Опыты по механике поступательного движения с компьютерной поддержкой. // VI Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. Ярославль, 2001. — Т.П.-С. 187-188.

78. Лекционные эксперименты по оптике / Пеньков С.Н., Полищук В.А., Марченко О.М. и др. / Под ред. Калитеевского Н.И. Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1981. - 160 с.

79. Лекционный эксперимент по курсу общей физики. Постоянный ток. Электромагнетизм. Колебания и волны / Кренцис Р.П., Зеленин Л.П., Костина Т.К. и др. Свердловск, Уральский политехнический институт, 1981. - 47 с.

80. Майер (Акатов) Р.В. Формирование наглядно-чувственных образов при постановке сложного учебного физического эксперимента: Автореф. дисс. канд. пед. наук. Екатеринбург, 1998. - 19 с.

81. Маликова М.А. Краткая библиография по лекционным демонстрациям по физике. // I межвузовская конференция по лекционным демонстрациям

82. Методика и техника лекционных демонстраций»: Сб. трудов. М., 1964.-С. 269-277.

83. Малов Н.Н., Козлова А.Н. Лекционные демонстрации по курсу общей физики. / Под ред. Малова Н.Н. М.: МГПИ им В.И. Ленина, 1978. - Вып. 1,2, 3.-218 с.

84. Мансуров А.Н. Применение видеопроекции в демонстрационном эксперименте по курсу общей физики. // VII учебно-методическая конференция стран Содружества «Современный физический практикум»: Тез. докл. -С.-Пб, 2002.-С. 176.

85. Марпл С.Л. (мл.). Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. - 584 с.

86. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высшая школа, 1986.-320 с.

87. Митин И.В., Салецкий A.M., Червяков А.В. Новые задачи по оптике. Лабораторный практикум. М.: Физический факультет МГУ, 2003. - 196 с.

88. Млодзеевский А.Б. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 1. Общие указания. Молекулярная физика и термодинамика. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1948. - 171 с.

89. Млодзеевский А.Б. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 4. Оптика. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1949. - 100 с.

90. Млодзеевский А.Б. О лекционных демонстрациях по физике. // I межвузовская конференция по лекционным демонстрациям «Методика и техника лекционных демонстраций»: Сб. трудов. М.: 1964. - С. 5-12.

91. Млодзеевский А.Б., Телеснин Р.В. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 8. Общая механика. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1954. - 84 с.

92. Млодзеевский А.Б., Шаскольская М.П. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 5. Оптика. 2-я часть. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1950. - 88 с.

93. Моисеев А.И., Муркин Л.П. Звуковая карта компьютера для исследования продольных волн в курсе общей физики. // Физическое образование в вузах. 2002. - Т.8. - 2. - С. 112-126.

94. Моркотун В.Л. Комплексное применение экранно-звуковых средств в профессиональной подготовке будущих учителей физики: Автореф. дисс. на соиск. уч. степени канд. пед. наук. М., 1986. - 16 с.

95. Нагорский Н.М., Семенов М.В., Якута А.А. Компьютеризированные демонстрационные эксперименты по механике: Препринт физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. М., №15/2004. - 48 с.

96. Нагорский Н.М., Семенов М.В., Якута А.А. Компьютерный демонстрационный комплекс по акустике. // VII международная конференция «Физика в системе современного образования»: Сб. трудов. С.-Пб., 2003. — Т. I. -С. 98-100.

97. Нагорский Н.М., Семенов М.В., Якута А.А. Получение и демонстрация осциллограмм и спектров звуковых сигналов с помощью звуковой карты и быстрого преобразования Фурье. // Физическое образование в вузах. -2002. Т.8. - 4. - С. 127-133.

98. Наумчик В.Н., Саржевский A.M. Наглядность в демонстрационном эксперименте по физике (эргономический подход). Минск: Изд-во БГУ им. В .И. Ленина, 1983. - 96 с.

99. Нифанов А.С. Свободные и вынужденные колебания: Учеб. пособие. М.: Физический ф-т МГУ, 2002. - 18 с.

100. Нортон П., Йао П. Программирование на Borland С++ в среде Windows. -Киев: Диалектика, 1993. В 2 т. - 640 с.

101. Объедков Е.С., Поваляев О.А. Физическая микролаборатория. М.: Просвещение, 2001. - 112 с.

102. Огородова Л.В., Шимбирев Б.П., Юзефович А.П. Гравиметрия. — М.: Наука, 1978. 325 с.

103. Ольховский И.И. Курс теоретической механики для физиков. М.: Наука, 1970.-447 с.

104. Перкальсьсис Б.Ш. Волновые явления и демонстрации по курсу физики. -Томск: Изд-во Томского университета, 1984. 280 с.

105. Перкальсьсис Б.Ш. Использование современных научных средств в физических демонстрациях. М:. Наука, 1971. - 207 с.

106. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. - 576 с.

107. Рубан П.И. Программирование КАМАК в практикуме по автоматизации. // Сб. «Автоматизация научных исследований» / (Под ред. Свешникова А.Г.) / Изд-во МГУ. 1984. - С. 162-165.

108. Рыжиков С.Б., Слепков А.И., Семенов М.В., Якута А.А. Избранные лекционные демонстрации по курсу «Молекулярная физика». М.: Физический факультет МГУ, 2001. - 120 с.

109. Рыжиков С.Б., Старокуров Ю.В. Реализация классического эксперимента «Опыт Галилея» с помощью техники фотофиниша. // Физическое образование в вузах. 2002. - Т.8. - 3. - С. 70-74.

110. Салецкий A.M., Слепков А.И. Механика твердого тела. Лабораторный практикум. (Университетский курс общей физики). М.: Физический факультет МГУ, 1999. - 83 с.

111. Селиверстов А.В., Дунин М.С. Использование устройств видеозахвата в лекционном эксперименте по физике. // Физическое образование в вузах. — 2002.-Т.8.-3.-С. 97-102.

112. Селиверстов А.В., Крашенинников А.П. Научно-образовательный сервер по физике Phys.Web.Ru. // Всероссийская научная конференция «Научный сервис в сети Интернет»: Сб. трудов. Новороссийск, 2002. - С. 194-195.

113. Селиверстов А.В., Чурикова Ю.В., Якута А.А. Использование функций цветового соответствия при компьютерном моделировании оптических задач. // Съезд российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке»: Тез. докл. М., 2000. - С. 243.

114. Семенов B.C. Датчики механических величин и анализа состава вещества в АСУТП. М.: МИФИ, 1984. - 87 с.

115. Семенов М.В., Нагорский Н.М., Якута А.А. Современные автоматизированные лекционные демонстрации по разделу «Механика» курса общей физики. // Научная конференция «Ломоносовские чтения 2004». Секция «Физика»: Расш. тез. докл. - М., 2004. - С. 156-160.

116. Семенов М.В., Рыжиков С.Б., Якута А.А. Некоторые замечания к решению задачи о падении тела в воздухе. // Международная конференция «Проблемы физического образования в средней и высшей школе»: Тез. докл. -Рязань, 2002. С. 133-134.

117. Семенов М.В., Якута А.А. Автоматизированная демонстрационная установка «Стол на воздушной подушке» и лекционные эксперименты на ее основе. // Физическое образование в вузах. 2004. - Т. 10. - 1. - С. 55-70.

118. Семенов М.В., Якута А.А. Автоматизированные лекционные эксперименты по демонстрации нелинейных колебаний. // VI Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. — Ярославль, 2001. Т.П. - С. 158-159.

119. Семенов М.В., Якута А.А. Видеозаписи лекционных экспериментов. // Съезд российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке»: Тез. докл. М., 2000. - С. 244.

120. Семёнов М.В., Якута А.А. Измерение отношения у = CplCy у газов методом Рухардта: Учеб. пособие. М.: Физический факультет МГУ, 1996. -16 с.

121. Семенов М.В., Якута А.А. Измерение ускорения свободного падения баллистическим методом в рамках демонстрационного эксперимента. // Физическое образование в вузах. 2002. - Т.8. - 3. - С. 55-66.

122. Семенов М.В., Якута А.А. Механика сплошных сред. Лекционный эксперимент. (Университетский курс общей физики). / Под общ. ред. Алешке-вича В.А. М.: Физический факультет МГУ, 1999. - 56 с.

123. Семенов М.В., Якута А.А. Механика твердого тела. Лекционный эксперимент. (Университетский курс общей физики). / Под общ. ред. Алешкеви-ча В.А. М.: Физический факультет МГУ, 1998. - 30 с.

124. Семенов М.В., Якута А.А. Новая автоматизированная лекционная демонстрация «Измерение коэффициента лобового сопротивления у тел различной формы». И Физическое образование в вузах. 2002. - Т.8. - 4. -С. 134-142.

125. Семенов М.В., Якута А.А. О пособиях по лекционному эксперименту «Механика твердого тела» и «Механика сплошных сред». // V Международная конференция «Физика в системе современного образования»: Тез. докл. С.-Пб., 1999. - Т.1. - С. 57-58.

126. Сивухин Д.В. Общий курс физики: В 5 т. М.: Наука, 1989. - Механика. Т.1.-576 с.

127. Скворцов А.И., Фишман А.И. Измерительный комплекс на базе компьютера в лекционных демонстрациях: I. Анализ механического движения с помощью видеокамеры. // Физическое образование в вузах. 2001. - Т.7. -2.-С. 85-92.

128. Скворцов А.И., Фишман А.И. Измерительный комплекс на базе компьютера в лекционных демонстрациях: И. Оптический спектрометр. // Физическое образование в вузах. 2001. -Т.7. - 2. - С. 93-102.

129. Скворцов АИ, Фишман А.И. Компьютер в современном демонстрационном эксперименте. // Физическое образование в вузах. -1999. Т.5. - 2. - С. 130-133.

130. Скэнлон JI. Персональные ЭВМ IBM PC и XT. Программирование на языке Ассемблера. М.: Радио и связь, 1991. - 336 с.

131. Сотириади Г.Н. Развитие основ физического эксперимента по общей теории колебаний и волн: Автореф. дисс. канд. пед. наук. Томск, 1989. - 17 с.

132. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, 1985. - 272 с.

133. Телеснин Р.В. Лекционные демонстрации по физике. Вып. 6. Электричество. / Под ред. Млодзеевского А.Б. М.-Л.: ОГИЗ Гос. изд-во технико-теоретической литературы «Гостехиздат», 1952. - 248 с.

134. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. пособие для студентов высш. пед. учеб. заведений / Каменецкий С.Е., Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е. и др.; Под ред. Каменецкого С.Е., Пурышевой Н.С.- М.: Академия, 2000. 368 с.

135. Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учеб. пособие для студ. пед. вузов / Каменецкий С.Е., Пурышева Н.С., Носова Т.И. и др.; Под ред. Каменецкого С.Е. М.: Академия, 2000. - 384 с.

136. Теория колебаний / Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. и др. М,: Наука, 1981.-568 с.

137. Толстик A.M. Компьютерная лабораторная работа «Изучение броуновского движения и определение постоянной Больцмана по пробегу броуновской частицы» / Ред. журн. «Изв. вузов. Физика». Томск, 2001. — Деп. в ВИНИТИ 23.04.01, 1051-В2001.

138. Толстик A.M. Компьютерный лабораторный практикум по молекулярной физике. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2001. — 6.— С. 43-47.

139. Толстик А.М. Роль компьютерного эксперимента в физическом образовании. // Физическое образование в вузах. 2002. - Т.8. - 2. - С. 94-103.

140. Толстик A.M., Брусова О.А. Компьютерная лабораторная работа «Изучение процессов релаксации в газах» / Ред. журн. «Изв. вузов. Физика». -Томск, 2001. Деп. в ВИНИТИ 23.04.01, 1052-В2001.

141. Трухин В.И., Сандалов А.Н., Сухарева Н.А. Телекоммуникационное сопровождение физического образования. // Физическое образование в вузах. 1998. - Т.4. - 2. - С. 64-78.

142. Федорова Ю.В. Физическое моделирование при изучении вопросов современной физики в специальном практикуме педагогического вуза: Дисс. на соиск. уч. степени канд. пед. наук. М., 2001. - 205 с.

143. Фигурнов В.Э. IBM PC для пользователя. М.: Инфра, 1995. - 432 с.

144. Физические величины. Справочник / Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

145. Фишман А.И., Скворцов А.И. Опыт создания видеозадачника по физике. // Физическое образование в вузах. 1998. - Т.4. - 2. - С. 90-94.

146. Фролов А.В., Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение IBM PC. // Библиотека системного программиста. М.: Диалог-МИФИ, 1992. - Т.2, ч.1. - 208 с.

147. Хайкин С.Э. Физические основы механики. М.: Наука, 1971. - 751 с.

148. Шилов В.Ф. Физический эксперимент по курсу «Физика и астрономия». -М.: Просвещение, 2000. 142 с.

149. ЭВМ в курсе общей физики. / Под ред. Матвеева А.Н. М.: Изд-во МГУ, 1982.-230 с.

150. Analog Devices. Designer's Reference Manual. Каталог электронных компонентов компании Analog Devices. Norwood: 1996.

151. Butikov E.I. The Rigid Pendulum an Antique but Evergreen Physical Model. // European Journal of Physics. - 1999. - 20. - 6. - P. 429 - 441.

152. Cronin J. David. The Temperature Variation of Gamma for Various Gases: A Student Experiment. // Amer. J. Phys. 1964. - 32. - 9. - P. 700-704.

153. Flammersfeld A. Messung von CplCv von Gasen mit ungedampften Schwingun-gen. // Z. F. Naturforschung. 1972. - 27A. - 3. - P. 540-541.

154. Francon M. Exp6riences de physique. Experiences de demonstration. P. Rev. d'optique: 1958. - 339 c.

155. General Catalogue Physics. Каталог демонстрационного оборудования компании Leybold Didactic GmbH. FRG, 1992. - 504 p.

156. Lang S.W., McClellan J.H. Frequency Estimation with Maximum Entropy Spectral Estimators. // IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Process. 1980. - Vol. ASSP-28.-pp. 716-724.

157. Meiners H.F. Physics Demonstration Experiments. New-York: Ronald Press, 1970.-1395 p.

158. Physics Experiments and Apparatus. Каталог демонстрационного оборудования компании Pasco Scientific. Roseville, California, USA, 1992. - 212 p.

159. Ruchardt E. Eine einfache Methode zur Bestimmung von Cp/Cy. J J Physik. Zeitschr. 1929.-30.-1.-58-59.

160. Sutton R.M. Demonstration Experiments in Physics. College Park: AAPT, 2003. - 545 p.

161. University Laboratory Experiments Physics. Каталог демонстрационного оборудования компании Phywe Systeme GMBH. Gottingen: 1990. - Vol. 1+2 + 3 + 4.