НЕОБХОДИМОСТЬ И СПОСОБЫ ПРЕПОДАВАНИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

№58-1,

Педагогические науки

В статье рассмотрены вопросы необходимости преподавания материала по астрономии в курсе физики. Приведены примеры включения материала по астрономии в содержание физики, рассмотрены примеры исследовательских и практических работ учащихся по астрономии.

Похожие материалы

В современной школе из перечня обязательных предметов исключена астрономия. Это произошло, несмотря на то, что человечество вступило в эру исследования космоса. По окончании школы большинство учеников не только не имеют представления о Вселенной, но даже не знают достижения России в освоении космоса, не смотря на то, что нашу страну называют «родиной космонавтики» (как теоретической, так и практической). Таким образом, становиться актуальным изучение вопросов космоса в школе. Актуальность изучения астрономии в школе также обусловлена значимостью астрономических знаний в формировании целостной естественно-научной картины мира учащихся.

В настоящее время система образования строится таким образом, чтобы пополнить знания учащихся по астрономии путём введения астрономического материала в другие учебные дисциплины, к которым можно отнести окружающий мир, природоведение и, конечно, физику. Материал, который должен содержаться в школьных учебниках по физике регламентируется федеральным государственным образовательным стандартом (ФГОС). Согласно ФГОС основного общего образования, утвержденном приказом Минобрнауки России от 17 декабря 2010 года в пункте об освоении курса физики нет обязательных требований к знаниям учащихся по астрономии на данной ступени образования [1]. Это означает, что авторы учебников 7-9 классов могут вообще не включать астрономический материал в учебники по физике для основного общего образования. Однако, все учебники, рекомендованные Минобрнауки России к использованию при реализации образовательных программ начального общего, основного общего образования на 2014-2015 года [2], содержат темы и главы с материалом по астрономии, которыми заключается изучения курса физики на данной ступени.

В 10 – 11 классах ФГОС среднего (полного) общего образования требует, чтобы результаты освоения базового курса физики включали «понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений». Результаты освоения углубленного курса физики должны включать «сформированность системы знаний об общих физических закономерностях, законах, теориях, представлений о действии во Вселенной физических законов, открытых в земных условиях» [3]. С уверенностью можно сказать, что количество часов, отводимое на изучение астрономии недостаточно для удовлетворения этих требований всеми учащимися, за данное время у школьников не успевает сформироваться полное представление о Вселенной и процессов, которые в ней происходят.

Для выхода из сложившейся ситуации и пополнения знаний учащихся по астрономии можно предложить следующие направления учебной деятельности:

  1. Проведение элективных и факультативных курсов, направленных на изучение вопросов по астрономии.
  2. Включение материала по астрономии в содержание физики:
    • в качестве примеров при объяснении физических процессов, явлений и примеров научно-технического прогресса;
    • в виде задач с астрономическим содержанием;
    • в качестве исследовательских заданий для учащихся;
    • в качестве рефератов и докладов.

Что касается проведения элективных и факультативных курсов по астрономическим темам, то возникает ряд проблем. Во-первых, это недостаточное количество и качество знаний по астрономии молодым учителем физики в связи с отсутствием методики преподавания дисциплины «астрономия» в большинстве педагогических ВУЗов. Во-вторых, современная ситуация в системе школьного образования сложилась таким образом, что тематика элективных и факультативных курсов по физике направлена на подготовку учащихся к успешному прохождению итогового экзамена. Таким образом, проведение полноценного курса по астрономии становится затруднительным.

В качестве альтернативы элективных и факультативных курсов по астрономии, можно предложить включать материал по астрономии в содержание курса. Рассмотрим примеры включения астрономического материала в содержание физики.

Несомненно, есть такие темы по физике, содержание которых уже включает себя астрономический материал. К ним можно отнести: «Реактивное движение», «Движение искусственных спутников Земли», «Магнитное поле Земли» и др. В таблице 1 «Материал по астрономии» приводятся примеры тем по физике, при объяснении который, можно ссылаться на астрономию, рассматривать изучение процесса или явления с привлечением данных по астрономии.

Таблица 1. Материал по астрономии

№ п.п.

Класс

Название темы, раздела

Материал по астрономии

1

7, 9, 10

Равномерное и неравномерное движение

Скорости космических ракет, искусственных спутников Земли, космических кораблей. Скорость света и звука в космосе. Скорости марсоходов и луноходов. Скорости движения космических тел. Ускорение космических ракет

2

7, 10

Масса тела. Плотность вещества

Массы космических тел (планет, спутников, комет, астероидов). Средние плотности планет

3

7, 10

Силы

Сила тяжести и вес тела на других планетах.

4

7, 10

Давление. Закон Архимеда

Наличие и отсутствие атмосферы на других планетах Солнечной системы. Выполнимость закона Паскаля на ИСЗ и отсутствие архимедовой силы на нём.

5

7, 10

Механическая работа. Мощность. КПД

КПД двигателей, установленных на космических аппаратах

6

8

Температура

Температура Солнца и других Звёзд. Температура поверхности космических объектов

7

8, 11

Оптические явления

Цвет неба на планетах Солнечной системы. Объяснение данного явления

8

9, 11

Физика атомного ядра

Ядерные реакции в звёздах

При включении данного материала в изложение темы, следует опускать сложные математические расчёты. Основная задача для учителя должна быть привитие интереса к астрономии, показать тесную связь физики и астрономии, и физических знаний в изучении астрономии.

Следующий способ включения материала по астрономии в содержание физики – это решение задач с астрономическим содержанием. При выборе задач с астрономическим содержанием, необходимо обращать внимание на их значимость с точки зрения науки. Другими словами, задачи должны быть понятны для учащихся, учащиеся должны чётко представлять, почему они решаются именно в данной теме [физики], какой результат они несут, и физический смысл полученного ответа не должен быть абстрактным и противоречить физическим законам. В таблице 2 «Задачи с астрономическим содержанием» приведены некоторые примеры задач, которые можно использовать на уроках по физике при изучении конкретных тем и разделов.

Таблица 2. Задачи с астрономическим содержанием

№ п.п

Тема, раздел

Формулировка задачи

1

Равномерное и неравномерное движение

Расстояние от Земли до Луны равно 1,3 световые секунды. Выразите это расстояние в длинах Транссибирской магистрали (9298 км). Если бы существовала дорога до Луны, то за какое время машина, ехавшая со скоростью 80 км/ч, прошла бы это расстояние?

Во время вспышки на Солнце было выброшено облако плазмы со скоростью 1000 км/с. За какое время облако плазмы, двигаясь с постоянной скоростью, достигнет Земли? Расстояние от Солнца до Земли равно 149600000 км. [4]

2

Масса тела. Плотность вещества

Масса четвёртой по удалённости от Солнца планеты Солнечной системы – Марса равна . Его радиус равен 3390 км. Считая планету сферической формы, найдите среднюю плотность этой планеты. Используя таблицу плотностей, определите наиболее близкое по плотности вещество к средней плотности Марса, встречающееся на Земле.

3

Молекулярно-кинетическая теория

Имеется планета радиусом r и массой M. Эту планету окружает атмосфера толщиной h с молярной массой μ. Найти температуру планеты, считая, что эта температура равна температуре атмосферы на поверхности планеты.

Средняя температура поверхности марса значительно меньше, чем на Земле и равна , а атмосферное давление равно 1 кПа. Считая, что атмосфера Марса состоит в основном из углекислого газа, определите плотность атмосферы планеты на её поверхности. Сравните полученный результат со значением для Земли ). Молярная масса углекислого газа равна 0,044 кг/моль.

При составлении задач с астрономическим содержанием, полезно обращать внимание учащихся на физический смысл полученного результата, сравнивать этот результат с известными и привычными для нас значениями. Так же в формулировке самой задачи можно приводить дополнительные данные об изучаемом объекте. Например, в первой задачи раздела «Масса тела. Плотность вещества» сообщается о порядковом номере Марса по отношению к Солнцу. Решение задач по физике с астрономическим содержанием способствует не только выработке навыков решения задач, но и знакомит учащихся с астрономическими объектами, их физическими и химическими характеристиками.

В рамках Федерального государственного стандарта (ФГОС) ставится вопрос об учебно-исследовательской и проектной деятельности учащихся. В связи с малым количеством аудиторных часов на изучение физики становится целесообразным выводить вопросы изучения астрономии в рамках курса физики на самостоятельное изучение в виде исследовательской и проектной деятельности. Опять же, формулировка и содержание исследовательских и проектных работ учащихся по астрономии должны, по возможности, быть упрощены с точки зрения математики. Основная цель данного вида работ – развитие творческих способностей учащихся и привитие навыков работы с текстом, умение его анализировать и представлять в понятной форме.

Среди учебно-исследовательских работ учащихся по астрономии можно порекомендовать работу «Конструирование зрительной трубы Кеплера». Задача данной работы – собрать зрительную трубу Кеплера и получить результаты наблюдений. Труба Кеплера – это оптический прибор, предназначенный для наблюдения удалённых объектов. Рассмотрим содержание данной работы.

  1. Необходимы две собирающие линзы. Первая линза имеет фокусное расстояние большее, чем вторая. Подойдут линзу от канцелярских луп.
  2. Определение фокусного расстояния одной линзы происходит путём получения изображения удалённого объекта в фокальной плоскости линзы. Линза располагается вертикально около листа бумаги. Двигая линзу, получают четкое изображение окна на листе бумаги. Измеряют расстояние от линзы до окна. Данное расстояние является фокусным расстоянием линзы. На рисунке 1 «Определение фокусного расстояния линзы» показана схема эксперимента по определению фокусного расстояния линзы.
Определение фокусного расстояния линзы
Рисунок 1. Определение фокусного расстояния линзы
  1. Располагая линзы друг от друга на расстоянии, равном сумме фокусных расстояний двух линз, и закрепляя их (внутри втулки, трубы и т.п.) получают зрительную трубу Кеплера.
  2. Увеличение трубы Кеплера определяется как отношение фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Таким образом, чем больше фокусное расстояние объектива и чем меньше фокусное расстояние окуляра, увеличение трубы имеет большее числовое значение. Сконструированная таким образом зрительная труба, позволяет наблюдать лунные кратеры, которые мы не можем увидеть невооруженным глазом. Например, используя линзы от луп с фокусными расстояниями 50 и 10 см, увеличение получается равным 5.
  3. Для получения наблюдения удаленных объектов и сохранения полученных результатов, можно предложить использование мобильных телефонов. Для этого достаточно поднести камеру телефона к окуляру и сделать снимок.

Данное задание можно предложить учащимся 8 и 11 классов, в процессе или по окончании изучения темы «Оптика».

Ниже приведены формулировки некоторых тем исследовательских работ учащихся по астрономии:

  1. Вычисление плотностей планет Солнечной системы.
  2. Физика движения Луны.
  3. Физика движения Фобоса и Деймоса.
  4. Изучение оптических проборов.
  5. Конструирование трубы Галилея и др.

Для помощи учителю физики в выборе тем исследовательских работ для учащихся и руководстве их выполнения можно порекомендовать книгу [5].

Что касается рефератов и докладов на астрономические темы, то их можно задавать учащимся на многих уроках. Среди тем данного вида работы, можно предложить следующие:

  1. Рекорды скоростей в космосе.
  2. Массы планет Солнечной системы.
  3. Вклад советских и российских учёных в исследование космоса.
  4. Принцип работы трехступенчатого ракетоносителя и др.

В связи с внедрением компьютера и информационно-коммуникативных технологий в образовательный процесс, целесообразно использовать их на уроках физики. Астрономия – это такая наука, которая невозможна для восприятия «вживую». Космические объекты, процессы в космосе и многое другое нереально наблюдать невооруженным глазом. Компьютер позволяет решить данные проблемы. О пользе и необходимости использования компьютерных средств написано много научной и методической литературы, но в большинстве случаев отсутствуют конкретные примеры использования той или иной программы на уроках физики. Ниже предложена практическая работа по астрономии на тему «Расстояния в Солнечной системе» и использованием 3D симулятора Солнечной системы «Solar System Scope»

Практическая работа «Расстояния в Солнечной системе»

Цели работы:

  1. Получить практические навыки в расчёте астрономических расстояний.
  2. Закрепить теоретический материал по строению Солнечной системы.
  3. Рассчитать расстояния планет Солнечной системы относительно Солнца и Земли.
  4. Получить практические навыки в работе с программой Solar System Scope.

Ход работы

Задание 1. Запишите определения:

  1. Астрономическая единица –
  2. Парсек –
  3. Световой год –

Задание 2. Переведите в километры следующие величины:

  1. а.е =
  2. св. год =
  3. пк =

Задание 3. Перейдите по ссылке http://space.utema.ru/sss/ и изучите интерфейс компьютерной программы «Solar System Scope». Перечислите основные возможности данной программы.

Примечание. Перейти на сайт с программой можно с помощью QR-кода

Задание 4. Заполните предложенную ниже таблицу с помощью программы «Solar System Scope» по следующему плану:

  1. перед таблицей укажите дату, когда проводили измерения;
  2. нажмите на Солнце, из всплывающего окна выберите пункт «дистанция»;
  3. далее нажмите на планету, расстояние до которой Вы хотите найти;
  4. на прямой, соединяющей Солнце и выбранную планету, появится расстояние между ними в астрономических единицах. Запишите полученное значение во второй столбец «Расстояние от Солнца» в колонку «а.е.». В колонке «км» запишите найденное расстояние в километрах.
  5. в 3 столбце «Расстояние от Земли» найдите и запишите расстояние от выбранной планеты до Земли;
  6. в столбце «Внешний вид планеты» напишите, как выглядит планета в программе, какую форму имеет, какой её цвет и т. д (для приближения планеты необходимо навести курсор на планету и во всплывающем окне выбрать «Перейти к планете»);
  7. повторите пункты b-f для каждой планеты Солнечной системы и Плутона.

Название планеты

Расстояние от Солнца

Расстояние от Земли

Внешний вид планеты

а.е.

км

а.е.

км

Меркурий

0,46

1,08

Самая маленькая планета Солнечной системы, круглая, серая.

Венера

Земля

Марс

Юпитер

Сатурн

Уран

Нептун

Плутон

Задание 5. Проанализируйте полученные результаты и сделайте вывод о размерах в Солнечной системе.

Задание 6. Решите задачу.

Расстояние от Земли до Луны равно 1,3 световые секунды. Выразите это расстояние в длинах Транссибирской магистрали (9298 км). Если бы существовала дорога до Луны, то за какое время машина, ехавшая со скоростью 80 км/ч, прошла бы это расстояние?

Контрольные вопросы

  1. Расположите в порядке возрастания следующие значения расстояний: 2 а.е., 100 а.е., 2 пк, 0,1 пк, 2 св. года, 50 св. дней.
  2. Для чего было необходимо вводить астрономические единицы измерения расстояний (а.е., пк, св.год)?
  3. Перечислите планеты Солнечной системы в порядке удаления от Солнца.

Таким образом, изучение материала по астрономии в курсе физики является возможным. Знакомство учащихся с астрономией позволяет сформировать целостную естественно-научную куртину мира, показывает астрономию как не какую-то мифическую и магическую сферу, а как отдельную, серьёзную науку. Связь изучения физики и астрономии раскрывает значимость физических знаний в развитии человечества. Не исключено, что астрономия привлечёт учащихся и именно с ней они решат связать своё обучение в ВУЗе и профессиональную деятельность.

Список литературы

  1. Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования (утвержден приказом Минобрнауки России от 17 декабря 2010 г. № 1897)
  2. Приказ Минобрнауки России от 26 января 2016 г. № 38 «О внесении изменений в федеральный перечень учебников, рекомендованных к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования, утвержденный приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 31 марта 2014 г. № 253»
  3. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования (утвержден приказом Минобрнауки России от 17 мая 2012 г. № 413)
  4. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. Базовый и профильный уровни. // Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин / под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2010. – 399 с.
  5. Физика и астрономия. 10-11 классы. Рефераты / сост. Н. И. Колесова. – Волгоград: Учитель, 2009. – 328 с.