Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕРАКТИВНЫХ УЧЕБНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО АСТРОНОМИИ

Емец Н.П. 1
1 ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет»
Вопросы применения информационных технологий в образовании находятся в центре научных интересов. Но, несмотря на ряд исследований по использованию электронных средств в обучении, существуют проблемы, которые требуют детального изучения для более эффективного внедрения данных средств в практику преподавания астрономии в педагогическом вузе. Рассматриваются основные методические аспекты лабораторного практикума по астрономии с использованием зарубежных электронных интерактивных материалов (изображений галактики М100) для поиска переменных звезд – цефеид. Цель введения новой лабораторной работы – показать возможности современных интернет-технологий в учебном процессе с использованием уникальных наблюдательных ресурсов космического телескопа имени Хаббла. Выделены основные этапы, описаны практический опыт и результаты лабораторной работы «Определение шкалы внегалактических расстояний», которая была успешно представлена в учебном процессе Школы педагогики Дальневосточного федерального университета. Отмечено, что измерение расстояния – одна из важнейших задач современной астрофизики и космологии. Особое внимание уделено роли научного потенциала электронных средств, важности лабораторного практикума в обучении астрономии. Показано, что интерактивные электронные материалы по астрономии призваны стать неотъемлемой частью образовательного процесса в педагогическом вузе.
информационные технологии по астрономии
лабораторный практикум по астрономии
электронные средства обучения.
1. Емец Н.П. Оценка эффективности использования информационных технологий в обучении астрономии студентов школы педагогики // Вестн. Томского гос. пед. ун-та (TSPU Bulletin). – 2016. – Вып. 8 (173). – С. 83-88.
2. Вольф А.В. Применение информационных технологий в лабораторном практикуме по астрономии // Педагогическое образование на Алтае. – 2014. – № 1. – С. 62-66.
3. Емец Н.П. Использование зарубежных сетевых ресурсов при изучении астрономии // Научное обозрение: гуманитарные исследования. – 2015. – № 10. – С. 39-46.
4. Determining the Extragalactic Distance Scale [Electronic resource]. URL: http://astro.wku.edu/labs/m100/ (accessed March 27, 2018).
5. Ferrarese L., Freedman W.L. et al. The Extragalactic Distance Scale Key Project. IV. The Discovery of Cepheids and a New Distance to M100 Using the Hubble Space Telescope. The Astrophysical Journal, 1996, vol. 464, pp. 568-599.
6. Freedman W.L., Madore B.F. et al. Distance to the Virgo cluster galaxy M100 from Hubble Space Telescope observations of Cepheids. Nature, 1994, vol. 371, pp. 757-762.
7. Mould J., Huchra J.P., Bresolin F. et al. Limits on the Hubble constant from the HST distance of M100. The Astrophysical Journal, 1995, vol. 449, pp. 413-421.
8. Riess A.G., Casertano S. et al. New parallaxes of galactic Cepheids from spatially scanning the Hubble Space Telescope: Implications for the Hubble constant. The Astrophysical Journal, 2018, vol. 855 (2), arXiv:1801.01120, DOI : 10,3847 / 1538-4357 / aaadb7
9. Improved Hubble Yardstick Gives Fresh Evidence for New Physics in the Universe. URL: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2018/improved-hubble-yardstick-gives-fresh-evidence-for-new-physics-in-the-universe (accessed March 27, 2018).
10. Галактики / Аведисова В.С., Вибе Д.З., Сурдин В.Г. и др. - М.: Физматлит, 2017. – 432 с.

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!


Библиографическая ссылка

Емец Н.П. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕРАКТИВНЫХ УЧЕБНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО АСТРОНОМИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2018. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=27748 (дата обращения: 29.11.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074