Постановка лабораторных работ и проведение лабораторного практикума по ядерной физике в учебных физических лабораториях вузов обладает рядом особенностей по сравнению с проведением лабораторных практикумов по другим разделам физики. Основная сложность работы в лабораториях ядерной физики связана с наличием в лабораторных установках радиоактивных источников и, как следствие, с необходимостью каким-либо способом защитить обучающихся от негативного воздействия радиоактивного излучения. При выполнении таких лабораторных работ студенты зачастую вообще не видят радиоактивный источник, свойства которого они изучают. Источник хранится в сейфе, на рабочее место его устанавливает лаборант, вскрывать контейнер с радиоактивным источником студентам категорически запрещено. У студентов практически нет возможности для каких-либо манипуляций с размерами и характеристиками радиоактивных источников, а также и с объектами, на которое это излучение направляется. Студент выполняет лабораторную работу по заранее составленному описанию, его действия для изменения состояния лабораторной установки строго регламентированы [1]. Организовать в таких лабораториях, где учебные установки «закрыты», а эксперимент проводится по жесткому алгоритму, самостоятельную работу студентов достаточно сложно. Самостоятельность обучающихся чаще всего сводится к реферированию учебного материала, к изучению экспериментальной установки по ее описанию, к объяснению предполагаемых и полученных в эксперименте результатов. Для совершенствования экспериментальных навыков студентов, для их роста в области физического эксперимента по ядерной физике требуется, на взгляд авторов, самостоятельный доступ студентов к манипуляциям с радиоактивными источниками и объектами, на которые эти источники воздействуют. Это можно реализовать, если в лабораторных установках по ядерной физике использовать не искусственные, а естественные радиоактивные источники, постоянно существующие и всегда сопровождающие жизнь людей. Они составляют радиоактивный фон, их радиационная активность незначительная, а при контакте с людьми они не оказывают вредного воздействия на организм человека.
Организуемая и контролируемая самостоятельная работа студентов в учебной лаборатории ядерной физики может выполняться по заданию и под методическим руководством преподавателя, но без его прямого участия в данном процессе. Преподаватель отслеживает у студентов качественные изменения в учебно-познавательной деятельности, вносит коррективы в работу, оказывает помощь в преодолении трудностей по освоению знаний, поощряет успехи в учебе и исследовательской деятельности. Целью самостоятельной работы является приобретение студентами новых знаний, закрепление пройденного материала, систематизация практических умений и навыков в области физического эксперимента.
Необходимость и актуальность теории и практики организации самостоятельной работы студентов при выполнении лабораторных практикумов определяется, прежде всего, тем, что рабочие программы изучения физики в вузе содержат часы самостоятельной работы. И эти часы необходимо эффективно использовать по своему прямому назначению. Вопрос эффективности самостоятельной работы студентов является предметом научно-методических статей. Так, подход к организации самостоятельной работы студентов-первокурсников радиотехнического факультета Поволжского государственного технологического университета при изучении физики рассмотрен в статье [2]. В статье [3] рассматриваются вопросы организации и проведения лабораторных работ по дисциплинам курса «Общая физика» с использованием дистанционных образовательных технологий. А.В.Кузнецова и А.В.Кузнецов исследуют аспекты формирования навыков самостоятельной работы студентов при выполнении лабораторных работ по молекулярной физике [4]. Авторы работы [5] предлагают в рамках организации самостоятельной работы студентов привлекать первокурсников к модернизации лабораторного практикума по физике в качестве способа формирования их профессиональных компетенций. Командные формы организации самостоятельной работы студентов на практических занятиях по физике рассматриваются в работах [6; 7].
Выполнение базовых лабораторных работ в лаборатории ядерной физики студент начинает с самостоятельного составления конспекта лабораторной работы в домашних условиях. В конспекте отражаются название и цель работы, схема экспериментальной установки, краткий теоретический обзор со всеми расчетными формулами и таблица для занесения экспериментальных данных. Перед выполнением лабораторной работы студент сдает допуск к ее выполнению в виде устного опроса либо в виде теста, содержание которого позволяет оценить уровень его предварительной подготовки. Получив допуск, студенты самостоятельно выполняют работу, заносят экспериментальные данные в таблицу, проводят математические расчеты, строят графики, пишут выводы по работе и готовят работу к защите [8].
Цель исследования. Проанализировать и описать многолетний опыт организации самостоятельной работы студентов в лабораториях ядерной физики двух вузов Республики Марий Эл: Поволжского государственного технологического университета и Марийского государственного университета. Основная идея исследования состоит в том, что студенты после знакомства с комплектом приборов «Арион» и самостоятельного выполнения обязательных лабораторных работ по ядерной физике под руководством преподавателя разрабатывают новые экспериментальные задачи, а затем их экспериментально решают на тех же лабораторных установках, которые они освоили при выполнении экспериментов по готовым описаниям.
Материал и методы исследования. Материальной базой исследования был комплект приборов «Арион», который ранее специально был разработан для учебной лаборатории ядерной физики педагогического института. Приборы «Арион» представляют собой, в совокупности, полную лабораторию ядерной физики для высших учебных заведений. Приборы «Арион» предназначены для выполнения лабораторных работ в лабораториях ядерной физики студентами, не специализирующимися в области ядерной физики. Этот факт ограниченного применения комплекта приборов «Арион» авторы специально подчеркивают, т.к. радиоактивных источников естественной природы, которые безопасно используются в учебной лаборатории на основе комплекта приборов «Арион», для подготовки специалистов в области ядерной физики явно не достаточно, но вполне достаточно для подготовки студентов технических специальностей в области физического эксперимента при изучении общего и экспериментального курса физики. Литературу по конструктивным особенностям комплекта приборов «Арион», его возможностям и методике применения в учебном процессе можно найти в работе [9].
Конструктивно прибор «Арион» состоит из электронного блока, который является универсальным и используется при выполнении любой лабораторной работы как источник питания счетчиков Гейгера-Мюллера, как секундомер для отсчета времени экспозиции и как счетчик импульсов, создаваемых радиоактивными частицами, пронизывающими счетчики – приемники излучения. К электронному блоку можно подключить две группы счетчиков Гейгера-Мюллера и включать их или по схеме совпадений, или по схеме антисовпадений. Назначение кнопок на лицевой панели прибора следует из их названия. Электронный блок удобен в работе и дает возможность студенту управлять физическим экспериментом в ручном режиме работы, т.е. студент, выполняя лабораторную работу, понимает и осознает, что и зачем он делает. Последнее важно для совершенствования экспериментальных навыков обучающихся.
Для постановки лабораторных работ используются три типа совершенно безопасных радиоактивных источников. Прежде всего, это соли калия в виде порошка KCl, K2SO4, KBr, KJ, K2CO3, KF. Наиболее доступными и чаще используемыми в лаборатории как источники β-излучения являются калий хлористый KCl и калий сернокислый K2SO4. Радиоактивным является изотоп 19K40. Именно электроны излучения изотопа 19K40 используются в лабораторных работах, выполняемых с помощью комплекта приборов «Арион». Вторым радиоактивным источником является естественная радиоактивность атмосферного воздуха. Эта радиоактивность присутствует в любом воздухе любой аудитории. Она возникает как результат распада радия 88Ra226. В результате цепочки радиоактивных распадов из ядер радия возникают ядра свинца 82Pb214 (период полураспада 27 минут) и висмута 83Bi214 (период полураспада 19,7 минуты). Появление свинца и висмута сопровождается β-излучением, которое и исследуется в лабораторном эксперименте. Для использования в лабораторных исследованиях эту радиоактивность усиливают за счет пропускания воздуха в больших объемах через фильтрующие элементы, размещенные в свинцовом домике. Третий источник естественной радиоактивности природа поставляет в виде космических лучей, постоянно бомбардирующих атмосферу Земли. Часть этого излучения взаимодействует с ядрами атомов газов в земной атмосфере и достигает поверхности нашей планеты в виде фотонов, электронов, мезонов. Это вторичное космическое излучение обладает большой проникающей способностью и достигает лабораторных приборов, расположенных на любом этаже учебного здания.
С помощью комплекта приборов «Арион» можно выполнить лабораторные работы по исследованию распределения числа регистрируемых частиц, изучению счетной характеристики счетчика Гейгера-Мюллера, исследованию поглощения β-излучения в различных материалах, определению процентного состава смеси солей по их радиоактивности, определению закономерностей углового распределения космического излучения и его состава. Именно на эти отработанные и хорошо идущие лабораторные работы, всегда дающие надежные результаты, авторы «нанизывают» организуемую и контролируемую самостоятельную работу студентов в лаборатории ядерной физики, имеющую определенные элементы исследовательской деятельности [10].
Результаты исследования и их обсуждение. Общие принципы организации и контроля самостоятельной работы студентов технического вуза в лаборатории ядерной физики авторы рассматривают на примере экспериментального изучения вопросов, связанных с прохождением электронов, возникающих при радиоактивности изотопа 19K40, через различные среды: твердые, жидкие или газообразные.
Студенты выполняют по готовому описанию лабораторную работу «Определение коэффициента поглощения b-излучения» [8]. В эксперименте используется прибор «Арион» со свинцовым домиком, источник излучения (соль KCI), различные материалы в виде тонких пластин (алюминий, латунь, бумага). Цель работы: экспериментальное изучение поглощения β-излучения различными материалами. В описании лабораторной работы дается краткое теоретическое введение по взаимодействию β-излучения непрерывного спектра с веществом. Закон поглощения электронов записывается в дифференциальной и интегральной форме, вводится понятие линейного коэффициента поглощения, толщины слоя половинного поглощения, максимальной величины пробега электронов в изучаемом веществе. Подробно рассматривается порядок выполнения работы: включение и выключение прибора, способы постановки в прибор источника радиоактивности и исследуемых образцов, время отсчета числа импульсов при измерениях ит.п. В число заданий по оформлению результатов лабораторной работы входят заполнение таблицы, построение графиков, в том числе и в полулогарифмическом масштабе, расчет коэффициента поглощения материалов, определение толщины слоя половинного и максимального пробега электронов. В конце описания лабораторной работы приведены вопросы для самоконтроля и список рекомендованной студентам литературы. Лабораторную работу студенты выполняют по два человека, также парами они сдают результаты работы преподавателю.
Во время сдачи лабораторной работы начинается второй этап организации самостоятельной работы студентов в лаборатории ядерной физики. Преподаватель предлагает студентам продолжить исследование прохождения электронов в веществе с помощью уже изученной лабораторной установки с ответами на вопросы: какие новые материалы можно изучить, на каких образцах, как их изготовить, нужно ли изменить экспериментальную установку, как изменить источник радиоактивности или условия эксперимента и т.д. и т.п.? В результате такого детального обсуждения составляется план дальнейшей работы, как самостоятельной работы студента в домашних условиях, так и технического персонала лаборатории, например лаборантов. В течение недели студент может обсудить с преподавателем возникшие вопросы дистанционно. При идеальном стечении обстоятельств обучающиеся могут решить новую для них экспериментальную задачу уже через неделю, на следующем лабораторном занятии и, что важно, на освоенном и знакомом им оборудовании. Здесь нужно подчеркнуть, что вновь поставленные и вновь решаемые экспериментальные задачи могут быть субъективно новыми для студентов, а преподаватель может знать их решение и заранее предвидеть результаты решения таких задач. Выбор объектов для исследования поглощения электронов в твердых телах может быть очень большим. Это может быть офисная бумага различной плотности, техническая (конденсаторная) бумага, бумага, окрашенная или обработанная какими-либо растворами. Задача преподавателя – помочь студенту правильно поставить цель исследования, выбрать образцы для исследования, подсказать, где найти необходимые материалы и как приготовить образцы. Все остальное студент делает самостоятельно. По аналогии с изучением бумаги можно поставить задачи по изучению поглощения электронов в полимерных пленках разного химического состава или разной толщины.
Следующая система экспериментальных задач для самостоятельной работы студентов может быть построена на изучении явления поглощения электронов в жидкостях. Естественно, самой доступной и распространенной жидкостью является вода. Ее и нужно предложить студентам в качестве первичного объекта исследования. Объектами последующих исследований могут стать спирты, растворы, масла и т.д. В качестве объектов для изучения поглощения электронов можно выбрать порошковые материалы (например, поваренную соль) или газы (например, воздух). Газы имеют значительно меньшую плотность, чем жидкости и твердые тела. Максимальный пробег электронов, излучаемых изотопом калия, будет в воздухе измеряться не миллиметрами, как в алюминии, а десятками сантиметров. Анализируя эту ситуацию, студенты должны осознать, что для изучения газов (например, изучение поглощения электронов в атмосферном воздухе) нужен не свинцовый домик, как для изучения металлов и жидкостей, а новая установка с большим расстоянием от источника до счетчиков.
Обобщая вышесказанное, можно отметить, что все лабораторные работы, выполняемые с помощью приборов «Арион», могут быть использованы для организации самостоятельной работы студентов в лаборатории ядерной физики.
Лабораторные работы по физике в технических вузах традиционно выполняются звеньями по несколько человек. В лаборатории ядерной физики при организации и проведении самостоятельной работы был использован опыт командной работы студентов-бакалавров технических специальностей [6]. Студенты второго курса инженерно-технических специальностей и направлений активны в общении, быстро распределяют между собой задания и помогают друг другу. Самостоятельная работа студентов при выполнении лабораторных работ по ядерной физике направлена на осуществление поиска нужной информации в сети Интернет, продумывание и нахождение экспериментальных образцов (строители – бетон и цемент, радиоинженеры – плексиглас и т.д.). Эффективная работа в команде ориентирует на совместное решение поставленных задач, положительно влияет на развитие партнерских и деловых отношений в студенческой группе, способствует формированию заявленных в рабочих программах дисциплины «Физика» общепрофессиональных и универсальных компетенций.
Для выяснения степени самостоятельной подготовки студентов к выполнению лабораторной работы наряду с устным допуском применяется электронный ресурс, имеющий инструмент «Видеодопуск к лабораторной работе», адаптированный к приборам, используемым в лаборатории. В видеодопуске студенты могут ознакомиться с видеофильмом работы установки «Арион», со свинцовым домиком, с радиоактивными источниками, образцами и материалами. В электронном курсе в рамках внеаудиторной самостоятельной работы студенты могут выполнить тест-допуск к лабораторным работам. Использование видео и тест-допусков к лабораторным работам позволяет повысить качество самостоятельной работы студентов и уровень их исследовательских умений для перехода к дальнейшим самостоятельным исследованиям.
Заключение. Исследование вопросов организации и контроля самостоятельной работы студентов технических специальностей в учебных лабораториях ядерной физики является в настоящее время актуальным. В первую очередь это связано как с важностью самостоятельной работы студентов для совершенствования умений и навыков физического эксперимента в области ядерной физики, так и со спецификой самой лаборатории, в которой широко используются искусственные радиоактивные источники. Комплект приборов «Арион» работает только с безопасными естественно-радиоактивными источниками, что позволяет на новом, более высоком, уровне допускать студентов к самостоятельной работе в учебной лаборатории ядерной физики. При работе с солями калия, как с источником быстрых электронов, студенты получают возможность самостоятельно изменять параметры источника, меняя его размеры и форму. Домашняя самостоятельная работа студента по подготовке к выполнению лабораторной работы контролируется электронным ресурсом, включающим в себя «Тест-допуск» и «Видеодопуск» к лабораторной работе. В лаборатории практикуются командные формы организации и контроля самостоятельной работы. Исследовательская направленность самостоятельной работы студентов в лаборатории ядерной физики была реализована через разработку студентами новых экспериментальных задач и самостоятельное решение этих задач на имеющемся в лаборатории оборудовании или, при необходимости, на самостоятельно модернизированном варианте лабораторной установки.