Зверева И.М. «Нестандартные задания по ядерной физике для развития творческих способностей школьников» // Развитие творческих способностей по физике в условиях реализации образовательных стандартов: доклады научно-практической конференции – Изд-во МГОУ, Москва, 2013. – сс.25-29
Нестандартные задания по ядерной физике для развития творческих способностей школьников
Зверева И.М., НИИЯФ МГУ
Наши пятиклассники показали хорошие результаты в международном тестировании TIMSS в 2011 году. Результаты российских учащихся 8 класса скромнее - наиболее высокие результаты отмечаются для заданий на воспроизведение фактических знаний и применение в типовых ситуациях. Самые низкие результаты – для заданий на объяснения, обоснования и решение проблем [1]. В другом тестировании – PISA [2] - научная грамотность 11-классников проверяется на:
- умение отделить научные и ненаучные утверждения
- способность научного объяснения явлений
- применение научного доказательства.
Это нестандартный для нас ракурс проверки, но он важен для современных школьников, оказывающихся в информационном потоке с немалым числом антинаучных утверждений [3].
С другой стороны, психологи отмечают, что хорошая память и высокий интеллект порой могут препятствовать развитию творческих способностей в детстве [4].
Потому закономерно включение разнообразных нестандартных заданий по предмету на логику, воображение, скрупулезное внимание к деталям, анализ гипотез. Приведем несколько примеров таких заданий:
Оцените провокационное рассуждение Ричарда Террила [5]:
«Все созданные на компьютере симуляции пикселизованы – состоят из отдельных пикселей (минимальных элементов изображения). Наша Вселенная состоит из отдельных частиц, по сути, пикселизована. Следовательно, мы – компьютерная симуляция»
Не раз после осознания этого утверждения школьники старших классов возмущенно говорили «Нет! Я не компьютерная симуляция!» или эпатажно ликовали: «Да! Я – симуляция!» С аргументами, как правило, сложнее. Тут полезно вспомнить историю из детства Рене Декарта. Ему в иезуитском колледже разрешали оставаться утром в постели до 11 часов и не присутствовать на утренних занятиях, обязательных для всех. Почему? Он всегда побеждал в диспутах – опровергал и защищал тезисы. А утро ему нужно, говорил он учителям, чтобы подумать. Кто хочет подумать утром?
Последовательное опровержение вывода Террила (планетолога, открывшего несколько спутников Сатурна, Урана и Нептуна) редко дается в классе без подсказок. Пример подсказки:
«Все ослы – млекопитающие, Вася – млекопитающее, следовательно он -…»
Помогут в этой ситуации круги Эйлера (рис.1) - их проходят по информатике в средних классах.
Объяснение Менделеевым опыта Кюри
Дмитрий Иванович Менделеев в работе «Попытка химического понимания мирового эфира» привел следующий пример доказательства существования эфира [6]:
Оцените интерпретацию эксперимента и объяснение свечения Солнца Менделеевым.
Текст опыта и объяснения лучше оставить в оригинальном виде. Почему бы не сравнить незыблемость законов физики и правил правописания? Стоит попросить нарисовать схему опыта. Разбор этого случая неверной интерпретации эксперимента важен еще и тем, что сейчас в сети популярна «нефальсифицированная» таблица Менделеева из 8-го издания «Основ химии» 1906 года с элементами «короний» и «ньютоний». Еще прекрасная тема для самостоятельного исследования школьникам. Это очень интересный стык физики, истории и философии науки. Сам же Дмитрий Иванович в предисловии к «Попытке…» отметил, что считает свои мысли «еще далеко не зрелыми», а в окончании статьи пишет: «А если моя мысль неверна в основаниях, ее изложение после того или иного вида опровержения, предохранит других от повторения. Другого пути для медленного, но прочного движения вперед, я не знаю»
Г
рис.2 Фрагмент таблицы Менделеева 1972 года
де Вы, Холмс?
Приводится фрагмент старой таблицы Менделеева (рис. 2). Задаются стандартные вопросы о числе протонов, нейтронов в ядре 104 элемента. Можно задать вопрос о числе электронов в ядре 104 элемента. Школьники часто путают понятия ядро и атом. Во время ответов мы ждем с надеждой удивленного возгласа из класса «Но такого элемента нет!». Хороший случай дать тему для доклада будущему юристу или историку о сложных отношениях физиков с организацией IUPAC. Какой элемент стоит справа от сто четвертого?
Задача «Получи Нобелевскую премию 1968 года» [7]
В середине 20 века стало ясно, что протон и нейтрон – представители большого зоопарка сильновзаимодействующих частиц - гиперонов. Мюрей Гелл-Манн разложил известные в начале 1960-ых гипероны на графике, где были очень необычные оси. Какие? В каких единицах измеряются величины на осях?
Гелл-Манн предположил, что каждый из гиперонов состоит из трех кварков – частиц с дробным зарядом и предсказал существование еще одного гиперона. Посмотрите на рисунок, дорисуйте, где считаете нужным еще один шарик и предскажите заряд, состав и массу - (омега-минус) гиперона.
Задача о датировке Туринской Плащаницы.
Радиоуглеродное датирование образцов Плащаницы (2,3 кв.см каждый) различными физическими лабораториями в 1988 году показало:
Лаборатория
|
Возраст в годах (до 1950 г.)
|
Календарный год изготовления ткани
|
Аризона
|
646 ± 31
|
1304 ± 31
|
Оксфорд
|
750 ± 30
|
1200 ± 30
|
Цюрих
|
676 ± 24
|
1274 ± 24
|
Эти данные расходились с ожидаемыми (какими?), и в 1989 году физик Томас Филлипс из лаборатории высоких энергий Гарвардского университета предположил, что в момент воскрешения Христа его тело испустило мощный импульс тепловых нейтронов (ибо что мы знаем о физике воскрешения?). При этом некоторые ядра С-13, захватывая нейтроны, могли превратиться в ядра С-14, «омолодив», таким образом, ткань плащаницы с точки зрения радиоуглеродных исследований.
Ваше мнение об этой гипотезе?
При анализе этой задачи не стоит торопиться. Полезно записать предполагаемую Филипсом ядерную реакцию, вспомнить метод радиоуглеродного датирования. Если ребята не додумаются до правильного ответа, не стоит приводить его сразу – лучше оставить как домашнее задание.
Гипотезу Филлипса физики серьезно рассмотрели на правомерность [8]. В ткани плащаницы, кроме ядер углерода, есть еще ядра водорода, азота, кислорода. Никаких аномалий по их изотопному составу обнаружено не было. Значит, его гипотеза неверна.
«Эвакуация Земли»
Хороший подарок преподнесла National Geograpic в жанре документальной фантастики в 2012 году. Плохо только, что в фильме не задается вопросов, и нет пауз для раздумий. Его сценарий удобно использовать как многоуровневую задачу:
вопрос
|
Ответ (наводящий вопрос)
|
На Землю неожиданно начинают падать обломки астероидов, сошедших с ранее стационарных орбит. Почему это может быть?
|
Появилось массивное тело вблизи солнечной системы, которое изменило их орбиту
|
Что это может быть за космическое тело? Почему астрономы его не заметили?
|
Как называется звезда, при коллапсе которой электроны «вдавливаются» в протоны? Ее размеры, светимость?
|
Астрономы находят нейтронную звезду, определяют ее скорость. Оказывается, что она пролетит вблизи Земли через 75 лет. Что делать?
|
Бесполезно бить ядерными боезарядами по телу массой в несколько солнечных. Надо эвакуироваться.
|
Куда нам лететь?
|
Хорошие вопросы для повторения. Какая звезда ближайшая к нам? На каком расстоянии она от нас? Подходящего ли типа эта звезда?
|
Какой двигатель нам использовать для полета?
|
Химический, на антивеществе, плазменный, солнечный парус? А если перековать мечи на орала? Какая глобальная угроза висела над человечеством последние полстолетия? взрыволет
|
Лететь по расчетам предстоит около 100 лет. В невесомости из костей человека уходит кальций. Можно ли создать искусственную гравитацию?
|
Повторение формулы центростремительного ускорения
|
Если ребят заинтересует тема, они сами скачают и посмотрят этот фильм, который переведен и есть сейчас в сети.
Не все будет получаться, поэтому в заключении хочется привести малоизвестное мнение Эммануила Ласкера (2-го чемпиона мира по шахматам, доктора математических наук, соавтора теоремы Ласкера – Нётер в коммутативной алгебре, своеобразного философа по теории игр):
«Каждое поражение является для проигравшего ценным уроком. Кто не проигрывает, тот не двигается вперед. Это железный закон, справедливый для всего живого. Кому все удается, тот утрачивает творческие способности»
Литература:
-
Центр оценки качества образования http://www.centeroko.ru Пресс-релиз TIMSS-2011_11_12_2012.pdf
-
PISA 2012 Assessment and Analytical Framework; Mathematics, Reading, Science, Problem Solving and Financial Literacy DOI: 10.1787/9789264190511-en http://www.keepeek.com/Digital-Asset-Management/oecd/education/pisa-2012-assessment-and-analytical-framework_9789264190511-en 265 с.
-
Захаров В.Е. «Испытание Петриком» Бюллетень «В защиту науки» 2012 №11, сс. 9-11
-
В.Н.Дружинин. Психология общих способностей. Москва, Издательство “Наука”. 1994 г., с.312
-
Документальный сериал производства Discovery «Сквозь червоточину с Морганом Фрименом», серия 1 «Есть ли Бог?»
-
Менделеев Д.И. - Попытка химического понимания мирового эфира, С-Петербург, типолитография Фроловой,1905. с.38-39
-
Дайсон, Ф. Математика и физика./ Ф. Дайсон // УФН. - 1965. - т.85 вып.2 - с. 351-364.
-
В. Сурдин «Туринская плащаница» Наука и жизнь 2007 №11, с. 107
-
Фильм National Geograpic «Эвакуация Земли», 2012
|