Министерство образования и науки Российской федерации

ФГБОУ ВПО

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Основы методики экспериментальных исследований физических и технических систем

Введение в лабораторный практикум

по курсу «Основы организации научных исследований»

Учебное пособие

Пенза, 2013

Свистунов Б.Л. Основы методики экспериментального исследования физических систем. Введение в лабораторный практикум по курсу «Общая физика». – Пенза: Изд-во ПГТА, 2013.

Одной из основных целей экспериментального компонента дисциплины «Общая физика» для технических и технологических направлений бакалавриата является объяснение обучающимся сути методики экспериментального исследования физических систем, исходя из того, что технические и естественные науки суть равноправные научные дисциплины.

Обобщение подходов к организации эксперимента и изложение его методики ведется с позиций системного подхода. Определяются понятия «физическая система», «параметры состояния», «движение системы в пространстве состояний» и др., что позволяет обсуждать методику постановки учебных экспериментов по разным разделам курса общей физики и интерпретации результатов опытов с единых позиций.

Рассмотрены общие вопросы натурного физического эксперимента, специфика учебных лабораторных опытов, способы и средства измерения физических величин. Особое внимание уделяется важности осуществления оценки достоверности результатов экспериментов и методике проведения такой оценки.

В качестве заданий для самостоятельной работы обучающихся предлагается планирование учебных экспериментов с простыми физическими системами.

Данное учебное пособие методически поддерживает лабораторно-демонстрационный комплекс по курсу общей физики, созданный в Пензенской государственной технологической академии на базе комплектов оборудования фирмы «L-микро» и «Владис».

«…науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений …»

Леонардо да Винчи

Предисловие

Одной из важнейших общекультурных компетенций, входящей практически во все Государственные образовательные стандарты ВПО 3-го поколения, является развитие научных форм мышления. Она включает в себя овладение общенаучными методами исследования научного познания, в том числе – экспериментальными. Особенно важно понимание решающей роли эксперимента для обучающихся по бакалаврским программам в области техники и технологий. Обучающиеся должны знать правила и особенности планирования наблюдения и эксперимента, уметь обрабатывать и интерпретировать результаты эксперимента, представлять их в удобном для пользования виде.

Говоря шире, можно утверждать, что определяющей задачей технического образования является овладение современной научной рациональностью, понимание и умение применять в исследованиях и в практике адекватные стратегии познавательной деятельности. Разумеется, что обучающимся необходимо освоить также фундаментальные идеи естественных и технических наук, которые составляют основу широкого профессионального мышления инженера.

Эти компетенции, знания, умения, навыки имеют важнейший методологический статус. Они способствуют интеллектуальному развитию личности и ее успешной адаптации в быстро изменяющихся социально-экономических условиях. Традиционный дисциплинарный подход, подразумевающий вычленение и раздельное изучение частей целостного объекта, отвлекаясь от его целостности, разрывая связи, используя вынужденно простые модели, уже не позволяет решать современные задачи изучения сложных систем, как естественных, так и искусственных.

Изобилие легкодоступной и часто недостоверной информации еще более снижает эффективность традиционного дисциплинарного подхода, усугубляет прочную тенденцию в образовании – в ограниченное время обучения уже не удается втискивать все больше узкоспециальных сведений, создавая своего рода «лоскутное одеяло» без учета межпредметных и внутрипредметных связей. Представляется, что возникшие противоречие может быть разрешено, если цели современного образования сформулировать, а содержание сформировать на основе принципов системной деятельности.

Системный подход предполагает использование совокупности взаимосвязанных логических и аналитических процедур. Важно, что постановка задачи при этом является равноценным этапом её решения. Он включает обоснованный выбор цели деятельности, способов ее достижения и организационных форм их реализации, а также конкретных организационных, технических и программных средств их реализации.

Определяющее преимущество системного подхода в том, что он дает эффективный метод организации знаний о реальной действительности, оптимальный способ обратить знания в качество жизни. Системный подход – это, по сути, формализованный здравый смысл.

Общность природных и искусственных систем заключается в том, что естественные и технические науки имеют одну и ту же предметную область инструментально измеримых явлений.

Объекты технических наук представляют собой своеобразный синтез «естественного» и «искусственного». Их искусственность заключается в том, что они являются продуктами сознательной целенаправленной человеческой деятельности. Их естественность состоит прежде всего в том, что все искусственные объекты создаются и функционируют в соответствии с естественнонаучными законами.

Таким образом, естественные науки открыты для применения в инженерии, а технические устройства с успехом используются для совершенствования экспериментов в физике.

Чувственный опыт, рабочая гипотеза, математическая разработка и опытная проверка – таковы, по Г.Галилею, четыре фазы исследования явлений природы.

Великий естествоиспытатель точно и лаконично сформулировал основы научного исследования и, шире – базис целостного научного мировоззрения, процесс формирования которого должен продолжаться всю сознательную жизнь человека. В понятие «научный» здесь вкладывается смысл, определенный в воспоминаниях недавно ушедшего от нас великого ученого В.Арнольда о школе, в которой он учился: «Даже учителя биологии, истории, географии, литературы подходили к своим предметам почти как к точным наукам, временно попавшим в трудное положение».

Исходя из этой посылки сформулированы цели и задачи настоящего пособия:

- показать на конкретных физически примерах суть и методику наблюдения и эксперимента как важнейших инструментов познавательной деятельности;

- показать универсальность экспериментального метода исследования в физике, возможность и плодотворность его применения в других предметных областях, прежде всего в технике;

- определить возможности и ограничения экспериментального подхода в соответствии с принципами дополнительности и неопределенности;

- показать роль измерения в физике;

- сформировать прикладные навыки планирования экспериментального исследования, анализа, систематизации, интерпретации и презентации его результатов с использованием современных информационных технологий.