 |
Астронет: Л. В. Жуков/РПГУ им. А.И. Герцена Современная астрономия и методика ее преподавания http://variable-stars.ru/db/msg/1177124/28.html |
| << Предыдущая |
Астрономический практикум в курсе "Концепции современного естествознания"
Соколова И.И., Пронин В.П.,
Васильев Н.А.
РГПУ им. А.И.Герцена
Ни у кого не вызывает сомнения крайне слабая астрономическая подготовка выпускников российских школ. Этот факт подтверждают тесты проверки знаний студентов различных факультетов РГПУ. Однако, общеизвестно, что астрономическая картина мира является важнейшей компонентой естественнонаучного мировоззрения. Одной из возможностей компенсировать этот недостаток образовательной системы является расширенное включение астрономических вопросов в курсы "Концепции современного естествознания", являющиеся в настоящее время обязательным компонентом вузовских образовательных стандартов. При этом, как показывает практика, существенной проблемой при реализации курсов "Концепции современного естествознания" являются практические лабораторные занятия, уровень которых должен быть адекватен общенаучной подготовке.
В РГПУ разработан комплекс практических работ с астрономическим содержанием, в ряду других работ поддерживающий курсы "Концепции современного естествознания". Он включает следующие работы:
1. Астрономия и астрология - наука и
псевдонаука. Работа с картой звездного неба
2. Наблюдение как метод астрономических
исследований, оптические телескопы,
наблюдение небесных объектов.
3. Солнечная активность, солнечно-земные
связи.
Настоящая статья посвящена последней из указанного цикла работ, позволяющей, с нашей точки зрения, решать серию дидактических задач.
Уровень научных исследований Солнца, их открытость представляют уникальную возможность участия в них практически любого члена мирового сообщества через сеть Internet. Особенности и широта представленного в мировой сети материала определяют специфику проведения лабораторной работы "Солнце, солнечная активность, солнечно-земные связи".
Для реализации указанной лабораторной работы используется в основном два открытых астрономических сайта Internet: сайт SOHO и сайт Европейского Астрономического Общества ESA. В первом сосредоточена вся текущая и архивная информация, полученная астрономической космической станцией SOHO c 1996 года, во втором - результаты наземных солнечных исследований и исследований ионосферы и магнитосферы Земли, полученные на основе данных спутниковых и наземных станций. Таким образом, указанные сайты предоставляют необходимую базу данных, обеспечивающую возможность проведения на этой основе большого количества учебных, учебно-исследовательских и научно-исследовательских работ.
Перечислим вопросы, которые рассматриваются при выполнении лабораторной работы "Солнечная активность, солнечно-земные связи".
1. Что такое солнечная активность и каковы
ее внешние проявления (солнечные пятна,
протуберанцы, вспышки, высокоскоростные
потоки солнечного ветра).
2. Статистика солнечной активности, числа
Вольфа, динамика чисел Вольфа.
3. Характеристики солнечных пятен: площадь,
время жизни, координаты.
4. Связь вспышечной активности с общим
уровнем активности Солнца.
5. Изображение Солнца в различных
диапазонах электромагнитного излучения и
способы их получения.
6. Динамика солнечного ветра.
7. Индексы геомагнитной активности Ар и Кр.
Магнитные бури, связь магнитных бурь с
солнечными явлениями.
8. Полярные сияния и их связь явлениями на
Солнце.
Возможность реализации данной работы обеспечивается в первую очередь техническими возможностями вуза. В РГПУ эта возможность определяется открытым доступом в Internet и наличием парка современных компьютеров.
При практической реализации работы возникают некоторые проблемы, учет которых является необходимым:
1. Эпизодические сбои Internet - связи. Эта
проблема решается наполнением минимальной
базы данных в памяти компьютера.
2. Недостаток времени для выполнения работы
компенсируется возможностью
самостоятельной работы в локальной сети
Университета.
3. Для обеспечения работы с английскими
текстами Internet в лабораторную работу
вводится словарь английских терминов и
выражений, употребляемых в базе данных.
Лабораторная работа адаптирована для использования студентами различных специализаций и направлений - от естественнонаучных до гуманитарных. При этом работа содержит инвариантную часть, выполняемую независимо от уровня предварительной подготовки студентов, и вариативную, которая определяется уровнем подготовки студентов и наличием учебного времени. Так например, студентам математического факультета предлагается, в частности, решать задачи на поиск корреляционных соотношений между рядами наблюдений, студентам географического факультета предлагаются задания на осмысление геофизических процессов.
Опишем процедуру выполнения некоторых заданий работы.
Солнечные пятна и статистика солнечной активности. Информация о характеристиках солнечных пятен, индексах солнечной активности содержится в описании работы, На основании этого студентам предлагается рассчитать число Вольфа по фотогелиограммам Солнца на заданный преподавателем день. Для выполнения этой задачи на экран компьютера с помощью описанной в алгоритме задания процедуры выводится одно из записанных в базе данных изображений в непрерывном спектре. На общем изображении выделяются и считаются группы пятен, по изображениям отдельных областей рассчитывается количество пятен в группе и, наконец, рассчитывается общее число Вольфа W. Для проверки полученное значение сравнивается с содержащимся в базе данных и обосновываются расхождения, если таковые существенны.
Еще два задания выполняются при наличии учебного времени. Предлагается определить координаты групп пятен. Для этого на изображение Солнца накладывается соответствующая сетка координат и визуально определяется относительная долгота и широта пятен. После этого предлагается рассчитать среднюю широту пятен и оценить время, прошедшее с начала цикла активности.
Предлагается определить относительные и абсолютные размеры пятен. Для этого в простейшем случае размеры диска и одного из пятен измеряются линейкой, или используется курсор компьютера. Результаты даются в миллионных долях видимой полусферы и в квадратных километрах. Для выполнения этих заданий возможно также использование лабораторного компьютерного практикума "Вселенная в руках".
Определение скорости вращения Солнца. Из базы данных по желанию студента выбираются серии изображений в непрерывном спектре за несколько дней и изучается движение одиночных пятен по выводимой на экран соответствующей координатной сетке. Измеряется разность относительных долгот за период 3-5 суток и рассчитывается синодический период вращения Солнца. Сильным студентам предлагается определить существование эффекта дифференциального вращения Солнца.
Определение кратковременной динамики
солнечной активности.
Из базы данных выводятся изображения в
непрерывном спектре за 30-40 суток с
вычисленными числами Вольфа W. Составляется
таблица динамики W и строится
соответствующий график либо в электронном
виде, либо на миллиметровке. Предлагается
обосновать полученную динамику.
Определение долговременной динамики солнечной активности. Из базы данных ESA. выводится график зависимости числа W от времени, начиная с первого цикла солнечной активности. Предлагается определить длительность всех двадцати трех циклов, выявить наиболее короткие и длинные, рассчитать среднюю длительность цикла (для сильных студентов провести фурье-анализ).
Определение времени жизни пятен. Из архива SOHO выбирается по желанию студента определенный набор изображений. На изображениях выбираются 2-3 пятна, желательно одиночных и разных по площадям, и исследуется динамика изменений их площади S (выбирается из соответствующих таблиц архива) со временем. Определяется время жизни пятен.
Солнечно-земные связи. Одним из наиболее значимых проявлений солнечно-земных связей являются геомагнитные эффекты, связанные с вариацией магнитного поля земли. Индексами возмущенности магнитного поля являются глобальные индексы Ар и Кр. В работе предполагается изучить солнечные факторы, влияющие на динамику магнитного поля.
Студентам предлагается просмотреть архив данных Space Weather относительно глобального индекса Кр за рекомендованный преподавателем промежуток времени (2-3 месяца). При этом необходимо найти 2-3 события с достаточно высокими индексами Кр>5. Могут быть использованы также дни с мощными полярными сияниями. Далее преподаватель рекомендует определить причину одного из обнаруженных событий. Для этого на основе данных из архива SOHO составляется таблица индексов солнечного ветра (скорости и концентрации частиц) за несколько суток до события. Из архива SOHO выписывается информация обо всех вспышках, прошедших за 3-4 предыдущих дня с указанием координат и мощности вспышки.
Просматриваются рентгеновские изображения Солнца и фиксируются корональные дыры за несколько предыдущих событию дней. На основании полученных данных выдвигается гипотеза о связанных с солнцем причинах произошедшего события. Выдвинутая гипотеза проверяется на основе изучения еще одного-двух из выбранных событий. При наличии учебного времени можно предложить аналогичное исследование событий за больший временной интервал с использованием метода наложенных эпох.
Динамика вспышечной активности. Вспышка на Солнце - одно из самых мощных проявлений солнечной активности. В описании приводится информация о классификации вспышек, о причинах их возникновения. Студентам предлагается определить динамику вспышечной активности. Для этого из архива SOHO выбираются несколько временных интервалов в области min, max активности, на ветви подъема и спада активности продолжительностью примерно 30 суток. Выписывается информация обо всех вспышках, произошедших за этот интервал времени, и их классах.
Сравнение данных позволяет сделать вывод о зависимости частоты вспышек, их мощности от времени, прошедшего с момента начала цикла солнечной активности.
Определение координат вспышек и их связи с солнечными пятнами. По предложению преподавателя студентам предлагается выбрать из архива SOHO несколько мощных вспышечных событий (2-3). Выписываются время и координаты вспышек. Из архива SOHO выводятся изображения Солнца в непрерывном спектре, соответствующие времени события, и определяется, с какой из групп пятен связаны данные события. На основании полученных результатов делается вывод, с какими пятнами или группами пятен на Солнце может быть связана солнечная активность, обосновывается возможность прогноза вспышки. Результаты работы оформляются в виде краткого отчета и обсуждаются с преподавателем.
Перечислим некоторые принципиальные задачи, которые решаются в ходе выполнения работы.
1. Знакомство с возможностями современной
астрономической техники.
2. Знакомство с конкретным астрономическим
явлением - явлением солнечной активности и
ее геофизическими следствиями.
3. Знакомство с методологией научных
исследований.
4. Знакомство с возможностями современных
Internet технологий и их применение на практике.
5. Приобретение элементарных навыков
исследовательской работы.
6. Тренинг в изучении и применении в области
естествознания английского языка.
| << Предыдущая |