Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,972

USE OF ELECTRONIC INTERACTIVE TRAINING MATERIALS IN LABORATORY PRACTICUM ON ASTRONOMY

Emets N.P. 1
1 Far-Eastern Federal University
The application of information technologies in education is at the center of scientific interests. But, despite a number of studies on the use of electronic tools in teaching, there are problems that require detailed study for more effective implementation of these tools in the practice of teaching astronomy in a pedagogical university. The main methodological aspects of the laboratory practical work on astronomy with the use of foreign electronic interactive materials (images of the galaxy M100) for searching variable stars - cepheids are considered. The purpose of introducing new laboratory work is to show the possibilities of modern Internet technologies in the educational process using the unique observational resources of the Hubble Space Telescope. The main stages are described, the practical experience and results of the laboratory work «Determination of the scale of extragalactic distances», which was successfully presented in the educational process of the School of Pedagogy of the Far Eastern Federal University, are described. It is noted that the measurement of distance is one of the most important tasks of modern astrophysics and cosmology. Particular attention is paid to the role of the scientific potential of electronic means, the importance of laboratory practice in the teaching of astronomy. It is shown, interactive electronic materials on astronomy are called to become an integral part of the educational process in the pedagogical university.
information technologies in astronomy
laboratory practical work on astronomy
electronic means of training.

Появление гигантских наземных и космических телескопов существенно изменило наше представление не только о природе различных космических объектов, но и о Вселенной в целом. Вместе с тем содержание учебного материала не в полной мере отражает новые открытия в Солнечной системе, внегалактической астрономии, космологии, а в практикуме по астрономии педагогического вуза не уделено должного внимания подлинным научным наблюдениям, научным статьям, интернет-технологиям и т.п. Отсутствие отечественных электронных ресурсов позволило выйти на технологии зарубежных электронных материалов, содержащих современную научную и учебную информацию по дисциплине «Астрономия». В связи с этим возникает острая потребность в подготовке компетентного учителя, который должен обладать не только астрономическими знаниями, но и владеть современными информационными технологиями и методикой их использования в учебном процессе. Поэтому перед преподавателем ставится задача адаптации, раскрытия потенциала зарубежных электронных учебных материалов и разработки методики для их использования с целью оснащения курса астрономии современными электронными учебными средствами.

Выполнение лабораторных работ по астрономии очень важно, так как именно в практике возможно глубокое усвоение теоретического материала, овладение основными методами астрономических исследований, развитие умений оценивать научную информацию, применять современные информационные технологии [1; 2]. В этой статье, учитывая достаточно успешные результаты педагогического опыта по использованию зарубежных интернет-ресурсов в учебном процессе Школы педагогики ДВФУ [1; 3], рассмотрим в качестве примера электронные материалы Университета Западного Кентукки (США), адаптированные нами при выполнении лабораторного практикума по космологии.

Цель исследования

Ключевые вопросы современной астрофизики – определение расстояний до космических объектов. С помощью открытых в галактике М100 цефеид впервые было определено расстояние до скопления галактик в Деве и уточнено значение постоянной Хаббла. Отметим важность изучения этой темы для будущего учителя физики и астрономии. Всё вышеизложенное обусловило цель данного исследования – разработка лабораторной работы «Определение шкалы внегалактических расстояний» на основе исследования цефеид в галактике М100 космическим телескопом «Хаббл» и интерактивных электронных материалов Университета Западного Кентукки (США), практическая реализация и экспериментальное исследование для проверки эффективности применения в обучении.

Материал и методы исследования

Лабораторная работа «Определение шкалы внегалактических расстояний» оформлена в виде веб-страниц в формате HTML. Электронные материалы находятся в свободном доступе [4] и представляют собой оригинальные онлайн-ресурсы – интерактивные изображения галактики М100 на основе исследования в ней цефеид космическим телескопом «Хаббл» [5; 6].

В содержание работы входят теоретический материал и практические задания. В теоретическом материале изложены основы космологической шкалы расстояний во Вселенной, методы определения расстояний до космических объектов. Отдельными веб-страницами рассмотрены технологии получения интерактивных изображений галактики М100 для данной лабораторной работы. Следует подчеркнуть, что в работе используются реальные изображения галактики М100, полученные на космическом телескопе «Хаббл».

Итак, в работе предлагается определить расстояние до галактики М100 с помощью цефеид, которые необходимо найти на интерактивных изображениях. Галактика М100 одна из самых ярких и больших галактик в скоплении Девы. В этой лабораторной работе исследуется только область WF4 галактики М100 (рис. 1).

Рис. 1. Галактика М100 (HST, NASA)

На рисунке 2 представлена область WF4, разбитая на 64 интерактивные мини-области.

Рис. 2. Область WF4 галактики М100

Каждый участок сетки (рис. 2) открывается в увеличенном виде и представляет собой интерактивную область галактики, в которой есть цефеида. Выделенные области галактики представляют собой gif-изображения, в которых по изменению блеска необходимо найти цефеиду!

Практическую часть практикума мы разбили на четыре задания:

1. Поиск переменных звезд (цефеид) в галактике M100.

2. Определение расстояния до галактики М100.

3. Оценка постоянной Хаббла.

4. Определение возраста Вселенной.

Далее кратко рассмотрим основные методические аспекты, адаптированные нами для выполнения заданий.

На рисунке 3 показан один участок – это 1/64 часть выделенного изображения области WF4 для галактики М100. В области WF4 известно 26 цефеид. В работе предлагается найти 8 цефеид, в том числе цефеиды в демонстрационном примере С46 и С54.

Рис. 3. Поиск цефеид в галактике М100

Если объект, на который кликнули, не является известной цефеидой, то появится запись: Nope, not a known Cepheid... Если верно найдена цефеида – появится красный кружок, в котором обнаружена переменная звезда, и рядом – кривая блеска для данной цефеиды (рис. 4).

На рисунке 4 в качестве примера представлены найденные цефеиды (справа), обозначенные С46 и С54. Слева показаны графики, по которым необходимо определить среднее значение видимой звездной величины mv и период изменения блеска звезды. Видимая звездная величина на этих кривых блеска обозначается V (DoPHOT). Период Р определяется из кривой блеска (рис. 4). Так, для цефеиды С46 период P=25,3 (суток).

Почему цефеиды ценны в качестве индикаторов расстояния? Для цефеид установлена важная зависимость период-светимость. Поэтому, зная яркость звезды, можно вычислить, как далеко она находится.

Рис. 4. Примеры цефеид, найденных в галактике М100

Для того чтобы определить расстояние до галактики М100, необходимо найти абсолютную звездную величину для каждой цефеиды по формуле [4]:

Mv = – [2,76 (log10 P – 1,0)] – 4,16.

Например, цефеида С46 имеет абсолютную звездную величину:

Mv = – [2,76 (log10 25,3 – 1,0)] – 4,16 = –5,27.

Затем, зная видимую и абсолютную звездные величины, необходимо оценить расстояние до звезды. Видимую звездную величину mv определяют по графику (рис. 4).

В работе рекомендуется учесть данные: межзвездное поглощение (Av = 0,30) и данные калибровки (0,05) для WFPC изображений камеры космического телескопа «Хаббл» [5; 6]. Поэтому с учетом этих эффектов расстояние до галактики М100, в которой наблюдается цефеида, определится в работе по формуле [4]:

 

.

В первом задании студентам предложена рабочая таблица результатов.

Результаты лабораторной работы

Название

цефеиды

Область

(номер сетки)

Видимая звездная величина (средняя) m

Период

(дни)

P

Абсолютная звездная величина M

Модуль расстояния

m-M

С46

47

25,3

25,3

-5,27

30,57

С54

55

26,1

21,3

-5,06

31,16

 

В качестве примера в таблице заполнены данные о цефеидах С46 и С54 из рисунка 4.

Вычислив модуль расстояния для каждой цефеиды, далее необходимо определить среднее значение модуля расстояния, а затем – расстояние до галактики.

В следующих заданиях определяются постоянная Хаббла и возраст Вселенной. Оценить постоянную Хаббла в лабораторной работе мы можем из закона Хаббла:

,

где – скорость удаления галактики М100 от нашей Галактики, d – расстояние до галактики. В работе используются данные [7]: скорость скопления галактик в Деве 1396±96 км/с.

В завершающем задании лабораторной работы необходимо оценить возраст Вселенной из значения постоянной Хаббла:

.

Студентам предлагается сравнить (рис. 5) полученные значения с современными научными результатами [8; 9], оценить их точность, сделать выводы и заполнить отчет к лабораторной работе.

Рис. 5. Значения постоянной Хаббла

Проблема определения возраста Вселенной – это проблема определения расстояния до галактик [10]. Знание расстояний до космических объектов необходимо для оценки их размеров, форм, изучения эволюции и физических процессов, происходящих в них, и др. Кроме того, расстояние до галактик дает возможность определить значение фундаментальных космологических постоянных, подтвердить или опровергнуть наше представление о Вселенной в целом. Таким образом, измерение расстояния – одна из важнейших задач современной астрофизики и космологии.

Результаты исследования

Результаты проведенного нами педагогического исследования выявили: усвоение материала будет более эффективным, если применяется комплекс электронных материалов, объединенных общностью темы, методикой её изложения, единым методическим подходом к использованию этих средств [1].

Весьма полезными для нас оказались и другие лабораторные работы, в которых используем иные методы определения расстояний до космических объектов: определение расстояния до рассеянных звездных скоплений методом подгонки главной последовательности, определение расстояния с помощью сверхновых Ia, определение расстояния с помощью красного смещения линий в спектрах галактик. Эти работы в практикуме мы разработали на основе использования современных научных данных и интерактивных возможностей электронных материалов зарубежных лабораторий [3]. Опыт показал, что такие материалы обладают более широким спектром возможностей в обучении астрономии студентов, обеспечивают частичное погружение студента в научно-исследовательскую среду, позволяют заложить основы естественно-научного мировоззрения, научного стиля мышления, развития навыков оценки и обобщения полученных результатов. Наряду с этим необходимо отметить: использование зарубежных электронных средств не вызывает проблем перевода, а, наоборот, стимулирует у студентов потребность в понимании иноязычного текста, демонстрирует возможности выполнения работы вместе с зарубежными студентами.

Заключение

Применение электронных средств обучения становится сегодня насущной потребностью в освоении курса астрономии на разных этапах обучения. Для их использования необходимо минимальное оснащение – компьютерный класс и доступ в сеть Интернет. Поэтому данная работа будет интересна и учителям физики, ведь астрономия вернулась в список обязательных школьных предметов. Изложение многих тем школьной программы по астрономии полезно сопровождать выполнением лабораторного практикума, в котором ученик выступает в роли исследователя, совершающего научные «открытия». А эту работу с поиском цефеид можно превратить в настоящее исследование!