Три лабораторные работы для школьного курса астрономии
Клыков Дмитрий Юрьевич, Кондакова Елена Владимировна, Ромашова Галина Александровна
ГАИШ МГУ, dyuk@sai.msu.ru, National University of Rwanda, e_kondakova@mail.ru, школа № 1903 г. Москвы
Известно, что школьный учебный эксперимент представляет собой отражение научного метода изучения природных явлений. Обычно в обучении естественным наукам используют демонстрационный эксперимент; фронтальные лабораторные работы, опыты и наблюдения; практикум; внеклассные экспериментальные задания; экспериментальные задачи.
Курс астрономии характеризуется тем, что в нем практически невозможно провести эксперимент в прямом смысле этого слова. Космические объекты нельзя потрогать руками, взвесить на весах, измерить с помощью измерительных инструментов. Изучая астрономию, мы можем провести лишь эксперимент с моделями или выполнить наблюдения. Да и это не практикуется обычно при изучении школьного курса из-за малого количества часов, отводимого на изучение этого предмета. А лабораторные работы вообще не в чести у учителей астрономии. И причина этого не только в малом объеме школьной астрономии, но и в практическом отсутствии несложных, но интересных для учащихся лабораторных работ.
Нами были разработаны и реализованы на практике в школе № 1903 г. Москвы три лабораторные работы. Основное их назначение – поставить ученика в позицию исследователя, помочь им самостоятельно совершить «открытие», сделать выводы, основанные на результатах наблюдательных данных. Выполнение работ занимает один урок (включая необходимые пояснения – «вступительное слово» – учителя). Следующий урок частично посвящается обсуждению результатов и выводов. Приведем краткое описание лабораторных работ и комментарии.
Содержание |
Лабораторная работа «Небесная сфера».
Цель работы: закрепить понятия и представления, с которыми учащиеся познакомились при изучении темы «Небесная сфера, видимые движения светил»; установить взаимосвязи между этими понятиями.
Наилучшим образом занятия по этой теме можно выполнить в планетарии, где размеры купола вмещает группу учащихся (см. подробнее в [1]). Но даже в том редком случае, когда это возможно, учащиеся могут работать с моделью только по очереди, поскольку экспериментальная установка одна на всех.
Для фронтального выполнения работы требовалось обеспечить каждого учащегося (или пару учащихся, сидящих за одним столом) моделями небесной сферы. В качестве моделей использовались перевернутые стеклянные блюда, которые выполняли роль «купола неба». Маркерами они рисовали основные линии и точки систем координат (стороны света и зенит, экватор и полюс мира), а также дневной путь Солнца. В качестве ластика выступала влажная губка.
Видимое движение Солнца для средних широт достаточно обсуждалось на уроке, а на подробное изучение видимости дневного светила на других широтах времени не оставалось (1 час, включая опрос домашнего задания). Нарисовав экватор и полюс мира последовательно для околополярной (Мурманск) и околоэкваториальной широт (Руанда, Африка), учащимся нетрудно прочертить и суточные пути Солнца для зимы, равноденствия и лета.
Крайне важно осмыслить учащимся полученный результат и сделать выводы. Учащиеся анализировали:
- полуденную высоту Светила, определяющую температуру в данной местности;
- длину его суточных путей, определяющих продолжительность дня в разное время года;
- угол их наклона к горизонту, по которому можно судить о продолжительности сумерек.
Различие полуденных высот Солнца над точкой юга сделала очевидным факты низких температур в северных регионах и высоких в околоэкваториальных. Как правило, вызывает удивление то, что за полярным кругом ночь и день продолжаются вовсе не по полгода (это относится только к полюсам Земли), что весной и осенью бывают периоды, когда Солнце ежедневно восходит и заходит.
Также было новостью то, что в районах близ экватора максимальная жара наступает весной и осенью, в это время Солнце может проходить через зенит, чего не происходит в средних широтах. Длины треков для разных сезонов отличаются мало, поэтому день и ночь всегда длится примерно 12 часов, из за чего, например, там не выгодно вводить переход на летнее время. А большой угол их наклона к горизонту показывает, что темнота наступает очень резко после захода Светила. К недостаткам работы можно отнести типичная неаккуратность рисования линий, которое делается от руки. В ряде случаев приходится объяснять ошибки в рисовании, что отражает недостаток понимания темы учащимися, требовать выполнения рисования заново.
Результат выполнения этой работы мы оцениваем как средний. Подобные модели не могут заменить планетария, хотя и позволяют «увидеть» осваиваемые понятия (то есть повышается наглядность), позволяет применить их для того чтобы представить движение Солнца в тех районах Земли, где учащиеся, скорее всего, еще не бывали.
Лабораторная работа «В мире звезд».
Цель работы: обобщить и структурировать знания о параметрах звёзд, их взаимосвязях.
Быть может, было бы интереснее и полезнее, если измерение параметров звезд (видимая звездная величина, спектральный класс, параллакс) выполнялась под звездным небом у телескопа. Но в рамках одного урока представляется возможным лишь почерпнуть эти данные из таблиц. Первые два параметра, скорее всего, учащиеся не раз оценивали «на глаз»: все наблюдали звезды различного блеска, оценивали цвета ярчайших из них. То есть за основу берутся параметры, наблюдаемые с Земли.
Астрономы измеряют и расстояния до звезд, что не в состоянии сделать глазомер человека. Именно отсутствие «видения» данного параметра не позволят нам представить мир звезд в объеме (3D). Нам кажется, что небесные светила расположены на одинаково далеком расстоянии, как будто на большом куполе.
Данная работа, как нам кажется, позволит несколько отойти от этого представления, как будто заглянуть за границы «купола» подобно персонажу знаменитой иллюстрации астронома XIX века К. Фламмариона. При помощи проведенных вычислений физических параметров звезд (светимость, радиус) оценить, каковы эти звезды там, «вблизи», гигант это или карлик, звезда на основном этапе жизни или умирающая звезда. Полеты к звездам пока невозможны, но силой знания мы может представить, что мы бы увидели в космических далях.
Обсуждаются некоторые парадоксы. Например, с помощью соответствующих вопросов подводим учеников к выводу, что практически все оранжевые и красные звезды, которые мы видим на небе – гиганты (потому что карлики слабые), и что среди ближайших к Солнцу звезд нет гигантов, иначе бы мы могли видеть звезду, сравнимой по блеску с полной Луной! Чтобы сделать такой вывод, учащиеся «помещают» Бетельгейзе на расстояние близкого Сириуса.
Результат выполнения этой работы мы оцениваем как хороший. Для выполнения работы требуются инженерные калькуляторы, которые не всегда оказываются в наличии.
Лабораторная работа "Линза Гершеля: открытие нашей Галактики".
Цель работы – методом подсчета звезд в заданных участках неба с разделением по звездным величинам (методом «черпаков») придти к выводу об ограниченности звездной системы – Галактики, а также сделать выводы о ее форме. Ученики работают с распечатками карт (использовалась программа Guide 8) двух участков неба – участка из созвездия Стрельца, лежащего в Млечном пути, и участка из созвездия Большой Медведицы, удаленной от Млечного пути, на которых отмечены звезды до 9, 10, 11, 12, 13, 14 звездной величины. Требуется посчитать по картам количество звезд по ступеням звездных величин.
Рис. 2. Карты участков из созвездий Стрельца и Б. Медведицы до 14m.
Как это сделать? Как посчитать количество звезд, например, между 8m и 9m? Так как все атласы и фотографии изображают звезды от самой яркой до заданной, сделать это просто, если даны два изображения одного участка: до 8m и 9m. Нужно посчитать количество звезд в обоих и вычесть из одного другое. Затем вычисляется количество звезд 9-й величины (т.е. между 9m и 10m), 10-й и т.д. для обоих участков.
Начиная с 12m считать по всему участку становится утомительно, поэтому для облегчения работы используем следующий прием: считаем в одном из 8-ми квадратов, затем умножаем на их количество. Так как в работе важно сделать оценки, небольшие ошибки здесь картины не испортят. Учащиеся считают количество звезд на каждой полученной распечатке участка неба и заполняют таблицу.
| Диапазоны зв. величин | Кол-во звезд в участке в Стрельце | Кол-во звезд в участке в Б.Медведице | |
|---|---|---|---|
| 9-е (9m-10m) | ... | ... | |
| ... | ... | ... | |
| 14-е(14m-15m) | ... | ... |
Под теоретической зависимостью мы подразумеваем следующее. Предполагается, что до огромных расстояний плотность звезд была бы такой же, какая в окрестностях Солнца. Ученые подсчитали, что при этом каждая новая, все более слабая ступень, будет в 4 раза больше предыдущей. Качественно это видно невооруженным гласом: слабых звезд на небе больше, чем ярких. Для размеров данных участков на ступени 8-х звездных величин получается 1 звезда (это грубая оценка). Тогда для 9-х получится 4 звезды и т.д.
Далее учащиеся по данным второй таблицы строят три диаграммы распределения количества звезд (по оси y) по ступеням звездных величин (по оси x) в порядке ослабления для участков в Стрельце и в Большой Медведице и график теоретической зависимости. Результат выглядит так:
Рис. 3. Диаграммы распределения количества звезд по ступеням зв. величин.
График участка на Млечном пути резко идет вверх, более резко, чем теоретическая зависимость. Это означает, что чем дальше от Солнца, тем звезды плотнее, к центру Галактики они и должны быть плотнее. Но потом идет спад. Объясняется это наличием облака темной пыли, т.н. «угольного мешка». На участке около галактического полюса наблюдается относительно мало слабых звезд. Значит, звезды в том направлении редеют и в какой-то момент должны закончиться. То есть здесь близок край Галактики.
Результаты очень эффектны! Когда просто смотришь невооруженным глазом, кажется, что везде звезды, и вроде как более-менее с одинаковой интенсивностью. Это потому что видим преимущественно близкие звезды. Такое очень грубое допущение о том, что чем слабее звезды, тем они дальше, не помешало астроному начала XX века Я. Коптейну приближенно оценить форму и размеры Галактики. Дальние звезды становятся все плотнее в сторону созвездия Стрельца в и выглядит так, как будто на небе «разлито молоко». Учащиеся убеждаются, что подобный светлый фон состоит из звезд, делают попытки построить пространственную форму нашего звездного острова. Млечный путь опоясывает все небо, делается вывод, что Галактика имеет форму линзы, в которой находится и Солнце. Но наша звезда находится не в центре, потому что есть участки, где звезды еще плотнее. Здесь учащиеся вспоминают, что в направлении созвездия Стрельца находится центр Галактики.
В науке первым подобную оценку сделал английский астроном рубежа XVIII-XIX веков В. Гершель. Учащиеся не просто изучают историю астрономии, хронологию открытий, но и сами в упрощенной форме повторяют исследования ученых.
Результат проведения работы хороший. Как показала практика, это работа оказалась самой интересной для учеников. С каким удовольствием они считали звезды! К тому же смогли, работая с реальными картами, сделать вывод о строении Галактики, то есть на практике убедиться в верности теоретических (полученных на уроках) знаний.
Отметим, что перед выполнением работ учащиеся должны быть теоретически подготовлены (материал должен быть объяснен учителем на предыдущем уроке и повторен по теоретическому введению в распечатках заданий), перед ними должна быть поставлена исследовательская задача и в общих чертах обрисован результат, который должен быть получен. После выполнения работы (обычно на следующем уроке) обязательно должно происходить коллективное обсуждение результатов и сделанных учениками выводов.
Учащиеся чаще не испытывают интереса к решению задач, работе с вычислениями в курсе астрономии, поскольку считают, что в жизни они подобные задачи вряд ли будут решать. Но в рамках исследовательской работы появляется мотивация, желание получить и осмыслить результат, приобщиться к методам большой науки, что в конечном итоге служат развитию интереса к астрономии.
Литература
1. Клыков Д.Ю., Клыкова В.В., Кондакова Е.В., Ромашова Г.А. Методика преподавания темы "Видимое движение светил" в курсах астрономии для школ и педвузов // Современная астрономия и методика ее преподавания: материалы IV Всероссийской научно-практической конференции. 24-26 марта 2004. СПб., 2004. 152 с. С. 55-62. http://www.astronet.ru/db/msg/1197730/17.html
