Использование метода проектов в школе становится все более распространенной формой обучения. Однако наиболее эффективным он является тогда, когда перед учащимися ставится серьезная задача, в решении которой заинтересованы не только ребята. В данном случае работа проводилась совместно с сотрудниками Института прикладной механики РАН, которые и поставили задачу исследования. Учащимся было разъяснено, что их проект является частью большого экспериментального исследования, поэтому к проведению работ необходимо отнестись с должной аккуратностью.

 

Мы попробовали использовать метод проектов при работе в старших классах в рамках изучения физики с включением некоторых элементов биологии.

 

Как известно, задача учителя состоит вовсе не в том, чтобы сообщить учащимся определенную сумму знаний. Он должен научить детей мыслить, ставить перед собой вопросы и находить на них ответы.

 

Довольно сложно осуществить эту задачу с большим числом учащихся, а во внеурочное время это можно сделать, например, в процессе работы над проектным заданием.

 

Работу над проектом лучше построить таким образом, чтобы помимо самостоятельной деятельности учащиеся могли получать консультации, но не в виде «подсказок», а в форме диалога.

 

Нашей основной задачей было провести участников проекта через все этапы научного исследования:

 

1) постановка задачи;

2) чтение и анализ литературы;

3) корректировка задачи;

4) выдвижение гипотезы;

5) проектирование экспериментальной установки;

6) создание установки;

7) проведение эксперимента;

8) обработка результатов эксперимента;

9) сравнение их с теоретическими сведениями из литературных источников;

10) подведение итогов работы и оформление проектного задания.

 

Для участия в проекте была сформирована группа из учащихся, желающих участвовать в экспериментальной работе. Как во всякой исследовательской группе, обязанности были поделены. В группе был назначен теоретик (ученик, хорошо владеющий ПК и освоивший программу для проведения математических расчетов) и экспериментаторы.

 

Такое распределение обязанностей помимо образовательных задач имеет еще и важное воспитательное значение. В процессе работы приобретается навык работы в коллективе, появляется ответственность перед ним за свой участок работы. Чрезвычайно важно понимание, что успех всего дела зависит от вклада каждого.

 

Целью работы являлось определение поведения частиц гемосорбента в жидкостях с различной вязкостью.

 

Удаление из организма токсичных веществ является важнейшим направлением медицины. Очистка крови с помощью центрифуги, сорбентов, мембран - дорогие процедуры, приводящие к повреждению клеток крови. Для сорбционной очистки крови предлагаются вновь разработанные мелкодисперсные магнитные сорбенты, полностью меняющие технологию осуществления гемосорбции. Поскольку кровь является вязкой жидкостью, важно знать, как эти вещества ведут себя в вязких жидкостях.

Учитывая, что раздел гидродинамики в школе изучается очень бегло, прежде всего, была изучена литература по гидродинамике. Особое внимание было уделено изучению разделов ламинарное и турбулентное течение жидкости, число Рейнольдса, поведение жидкости на границе воздух-жидкость. После проведения ознакомления с методами измерения вязкости и их совместного обсуждения был выбран метод, который возможно осуществить в условиях школьного физического кабинета. Таким методом оказался метод Стокса.

 

Следующим этапом подготовки к проведению эксперимента был выбор вязкой жидкости. Наиболее доступной и безопасной жидкостью по ряду причин является глицерин. Во-первых, он имеет достаточно большую вязкость. Во-вторых, он хорошо растворяется в воде и не оставляет жирных пятен, что в условиях классов также важно.

 

Затем нами были подобраны остальные элементы экспериментальной установки: стеклянная трубка достаточной длины, дробинки небольшого диаметра, линейка, секундомер, штативы, муфты, лапки и т.п. Причем выбор каждого элемента, его параметры были подробно обсуждены на предмет их пригодности.

Итак, была собрана экспериментальная установка, показанная на рис. 1.

Порядок проведения эксперимента следующий: 1) в сосуд наливается исследуемая жидкость; 2) на линейке или трубке отмечается начало и конец отсчета; 3) измеряется диаметр шарика; 4) затем смоченный шарик опускается в жидкость; 5) регистрируется время, за которое шарик пролетит отмеченный путь.

 

В результате в таблицу вносятся следующие измеренные величины: путь - ; время - t .

 

Эксперимент проводится несколько раз с жидкостью, вязкость которой известна (для отработки методики эксперимента).

 

Затем проводится расчет динамической вязкости жидкости по выведенной учащимися формуле:

 

, где - путь, пройденный шариком; t - время; - плотность шарика; - плотность жидкости; r - радиус шарика.

 

После оценки погрешностей измерения оказывается, что результат вполне достоверный и близок к табличному значению. Затем тот же эксперимент проделывается с жидкостями с неизвестными значениями вязкости с целью их определения.

 

Эта часть эксперимента имеет лишь вспомогательную функцию. Это лишь способ измерения вязкости различных жидкостей. Таким образом, учащиеся осваивают метод измерения и отрабатывают методику его проведения.

 

Вторая часть эксперимента - наблюдение поведения частиц гемосорбента¹ в вязких жидкостях.

 

Эта часть эксперимента является наиболее трудной и интересной, так как экспериментальная схема установки неизвестна, и ее предстоит придумать самим.

 

Первоначально схема эксперимента представлялась следующей (рис. 2): между разноименными полюсами магнита помещается прямоугольная пластмассовая кювета, заполненная вязкой жидкостью приблизительно до половины высоты магнитна. У одной из стенок кюветы помещены частицы гемосорбента. Предполагалось, что они начнут двигаться к противоположной стенке кюветы. Однако проверка показала, что это не так. Частицы гемосорбента пришли в движение, но лишь настолько, чтобы переориентироваться в магнитном поле, то есть их поведение напоминало вращение магнитной стрелки. После этого частицы замерли на месте.

 

 

 

Следовательно, описанная выше схема установки нас не устраивает, так как не позволяет наблюдать направленного движения частиц гемосорбента к противоположной стенке кюветы. После этого поступило предложение один из магнитов убрать (см. рис. ниже).

 

 

 

Новая схема эксперимента привела к нужным результатам. Частицы гемосорбента пришли в направленное движение к противоположной стенке кюветы. Причем движение явно носило характер ускоренного.

 

Затем был проведен эксперимент с жидкостями различной вязкости. Характер движения частиц, естественно, не изменялся, а скорость оказывалась каждый раз разной (чем больше вязкость жидкости, тем меньше скорость перемещения частиц).

 

Как и в первом опыте, были проведены измерения некоторых физических величин: пути пройденного частицами и времени движения.

 

Когда мы получили и обсудили результаты эксперимента, у нас появилась идея сформулировать на их основе несколько интересных физических задач. Однако это требовало дополнительных измерений - определение величины напряженности или индукции магнитного поля, создаваемого магнитом, и размеров частиц гемосорбента.

 

Поскольку опыт проведения таких измерений у учащихся отсутствует, это было проделано вместе с учителем. Для измерения этого параметра в школьном физическом кабинете имеется датчик Холла.

 

Для измерения размеров частиц гемосорбента можно воспользоваться обычным биологическим микроскопом, снабженным окулярным микрометром.

 

Наиболее интересной частью проведения работы был этап обсуждения результатов эксперимента.

 

Результат этой части работы, разумеется, зависит от учителя, который должен с одной стороны организовать обмен мнениями учащихся, предложить учащимся вслух рассказать обо всех своих наблюдениях в процессе эксперимента. После этого стоит задать участникам эксперимента вопросы по поводу незамеченных деталей.

 

Например, в нашем случае все заметили, что частица движется ускоренно, а скорость движения зависит от вязкости среды. Однако вопрос учителя о том, почему частица, имеющая плотность явно больше, чем жидкость, находится на ее поверхности, а не тонет, привел учащихся в некоторое замешательство и подтолкнул к проведению дополнительного опыта. Высыпав некоторое количество гемосорбента в жидкость, мы наблюдали, что происходит с его частицами. Результат оказался следующим: наиболее мелкие частицы остались на поверхности, более тяжелые утонули и оказались на дне. То есть частицы могут существовать только в двух состояниях - на поверхности или на дне. Таким образом, у нас появились данные для постановки дополнительной задачи, которую можно было сформулировать приблизительно так: какие силы удерживают на поверхности вязкой жидкости частицы гемосорбента.

 

Итак, после того как были получены результаты и сформулированы основные задачи, учащиеся могли приступить к обработке результатов и решению этих задач (для их решения вполне достаточно базовых знаний по физике).

 

На наш взгляд, последний этап работы - оформление результатов эксперимента - учащиеся должны сделать полностью самостоятельно.

 

___________________________

1. Вещество, состоящее на 30% из железа и на 60% из угля.