Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП НАГЛЯДНОСТИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ
1.1, Гносеологические корни наглядности 16
1.2. Модели и модельный эксперимент ; 23
1.3, Наглядность физического эксперимента 29
1.4. Тенденции развития физического эксперимента по оптике и пути реализации дидактического принципа наглядности .36
Выводы 46
ГЛАВА 2. НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НАГЛЯДНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
2.1. Генераторы дециметровых и сантиметровых волн 47
2.2. Искусственные среды для электромагнитных волн ..55
2.3. Модели дихроичных поляризаторов 62
2.4. Поляризационные призмы для сантиметровых электромагнитных волн 65
2.5. Приборы для демонстрации опытов Гюйгенса 72
2.6. Фазовые двоякопреломляющие пластинки 79
2.7. Ромб Френеля для сантиметровых электромагнитных волн 83
2.8. Наглядная модель искусственной анизотропии вещества при механической деформации 87
2.9. Установка для наблюдения эффекта Фарадея 91
2.10. Установка для наблюдения эффекта Коттона-Мутона ...94
Выводы 97
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВЫХ НАГЛЯДНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1. Дидактические условия активизации учебно-познавательной деятельности студентов при изучении поляризации электромагнитных волн „100
3.2. Технология поэтапного формирования знаний и умений в процессе изучения раздела «Поляризация электромагнитных волн (света)» 119
3.3. Методика проведения лабораторных занятий 139
3.4. Результаты педагогического эксперимента .. ..144
Выводы 152
Заключение ...154
Список основной литературы 157
Приложения 175
- Гносеологические корни наглядности
- Генераторы дециметровых и сантиметровых волн
- Дидактические условия активизации учебно-познавательной деятельности студентов при изучении поляризации электромагнитных волн
Введение к работе
В условиях современной экономики, для нахождения спроса на рынке трудовых ресурсов выпускник технического вуза должен обладать глубокой и качественной профессиональной подготовкой. Однако система высшего технического образования еще недостаточно адаптировалась к современным условиям. Идет поиск путей и методов решения этой задачи.
По мнению А.А. Вербицкого, построение учебного предмета должно решать проблему фундаментализации и профессионализации подготовки специалиста [19]. «Перед учеными и преподавателями стоит задача выделения системного инварианта каждой науки (тех трех или больше «китов», которые составляют ее основные структурные блоки). Такой фундамент, составляющий основы наук, - не самоцель, а необходимое условие профессионализма будущего специалиста. Это обуславливает необходимость развертки выделенного фундамента в контексте профессиональной деятельности (поэтому правомерно говорить не о фундаментальной дисциплине, а об отражении в учебном предмете фундамента науки или наук), теперь уже в зависимости от профиля подготовки» [19, с. 66], Эту мысль давно выразил академик А.И. Иоффе: «...нельзя преподавать одну и ту же физику - физику «вообще», металлургу и электрику, врачу и агроному...Для агронома физика -это основа агротехники, светофизиологии, для врача - биофизика. Электрику физика (а не курс электротехники) должна дать основанное на квантовой механике учение об электродах в вакууме, полупроводниках и изоляторах -понимание механизмов намагничивания и сегнетоэлектричества»[51, стр. 17-18].
Одним из важных элементов качественной подготовки инженеров, как известно, является установление межпредметных связей. В программу курса «Техническая электродинамика» входят такие вопросы, как: распространение электромагнитных волн, плоские электромагнитные волны, линейная и вра-
гдающая поляризация электромагнитных волн, фазовая скорость и постоянная затухания для различных сред и другие. Сюда также относятся вопросы, связанные с сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазоном электромагнитных волн: генераторы СВЧ-диапазона, антенные приемные устройства, волноводы различных типов и другие, имеющие тесную связь с курсом общей физики. Следовательно, для более качественной подготовки специалистов радиотехнического профиля необходимо углубленно, с применением новых наглядных технических средств изучить основополагающие для данной специальности разделы: «Электромагнитные колебания и волны» и «Волновая оптика» в контексте их профессиональной подготовки.
В основу изучения волновой оптики в курсах общей физики высших учебных заведений положена теория электромагнитного поля и его взаимодействия с веществом. В связи с этим само изложение оптики должно непосредственно опираться на электромагнитную теорию Максвелла, и все оптические волновые закономерности должны быть следствием единых электромагнитных явлений. Перед преподавателем волновой оптики стоит важнейшая задача: связать ее изложение с электромагнитной теорией Максвелла и утвердить взгляд на оптические явления как на электромагнитные, вскрыть глубокое единство природы оптических и электромагнитных явлений. Этому в значительной степени способствует постановка широкого лекционного эксперимента, с помощью которого изучаемые оптические явления демонстрируются не только в области оптического диапазона, но и в радиодиапазоне электромагнитных волн. По мнению многих физиков-методистов (Ю.И. Дик, Н.И. Калитиевский, В.В. Майер, Н.Н. Малов, Н.Я. Молотков, Б.Ш. Перкалъ-скис, А.А. Пинский, и др.[98, 144, 55, 113]) взятый в отдельности оптический диапазон длин волн не может полностью обеспечить успеха в изучении оптики и только правильное сочетание его с другими диапазонами длин волн позволяет достичь поставленной цели. Использование в лекционных демонстрациях двух диапазонов волн (оптического и радиофизического) позволяет
выявить то общее, что есть между электромагнитными и световыми волнами, показать, как знание одних может способствовать пониманию других. Плодотворность такого метода сравнений и аналогий общеизвестна в педагогике. Методика комплексного использования двух диапазонов (оптического и радиофизического) в преподавании оптики может быть самой разноообразной. Демонстрации обоих диапазонов волн могут служить исходным элементом в проблемном изложении изучаемого материала, или иллюстрацией к нему, или подтверждением изложенного.
Лекционные опыты оптических явлений в каждом диапазоне имеют свои возможности для лучшего усвоения учебного материала. Так, демонстрации в оптическом диапазоне позволяют успешно формировать конечный результат явления, его картину, образ. Однако при этом невозможно наблюдать «механизмы» волновых процессов на расстояниях, сравнимых с длиной волны. Использование сантиметрового излучения радиоволн позволяет наглядно изучать явления на отрезках сравнимых и меньше, чем длина волны, то есть оба диапазона волн органически дополняют друг друга-Введение элементов радиофизики в курс оптики, с одной стороны, позволяет привести лекционный эксперимент в соответствие с современным техническим уровнем, а, с другой стороны, осуществить единый подход к изложению оптических и электромагнитных явлений и обеспечивает прочность усвоения учебного материала. Приборы, применяемые для демонстрации оптических явлений в радиодиапазоне, удовлетворяют основному педагогическому требованию, предъявляемому к демонстрационному эксперименту, -наглядности, что обусловлено обозримыми по аудиторным масштабам размерами установок и приборов.
Актуальноеть исследования обусловлена требованиями общества на подготовку конкурентоспособного специалиста в области проектирования и технологии радиоэлектронных средств, что вызвано развитием современного
производства, науки и техники, и интеграции России в единое экономическое пространство.
Эффективность профессиональной подготовки современного инженера зависит от качества его общенаучной подготовки. Актуальным является формирование понимания у будущего специалиста системности и целостности общефизических законов и явлений. Одной из общефизических теорий является теория колебательных и волновых процессов.
Опыт практической работы показывает, что, в частности, изучение поляризации электромагнитных волн без современных учебных демонстраций и технических средств обучения малоэффективно. Так, проведенное тестирование студентов после изучения данного раздела по традиционной методике показало, что коэффициент усвоения учебного материала почти у 80% обучающихся ниже 0,7. Применение только одного оптического диапазона в качестве демонстрационного и лабораторного эксперимента является по мнению многих методистов недостаточным. Следовательно, для более качественного усвоения этого раздела необходимо, с одной стороны, разработать и внедрить в практику обучения студентов демонстрационные опыты в радиофизическом диапазоне, которые позволят различные поляризационные эффекты наглядно изучать на уровне сущности рассматриваемых явлений, с другой стороны, новые технические средства будут способствовать как профессионально направленной подготовке специалистов радиотехнического профиля, так и применению методов активного (проблемно-развивающего) обучения.
Применению сантиметровых электромагнитных волн в демонстрационном физическом эксперименте посвящены работы Н.И. Калитиевского, Н.Н. Малова, Н.Я. Молоткова, Б.Ш. Перкальскиса, НА. Шахмаева, и др.
Использование нового демонстрационного эксперимента при изучении поляризации электромагнитных волн требует учета психолого-педагогичес-
ких особенностей активизации учебно-познавательной деятельности студентов.
Исследования Р. Арнхейм, Е.Ю. Артемьевой, В.И. Евдокимова, В.11. Зинченко, Е.Н. Кабановой-Меллер, И.С. Якиманской и др. показывают, что наглядность не только способствует более успешному восприятию и запоминанию учебного материала, но и позволяет активизировать мыслительную деятельность, глубже проникать в сущность изучаемых явлений.
К проблеме наглядности приковано внимание философов, психологов, педагогов и методистов-физиков (ВТ. Болтянский, В.П. Бранский, А.В. Бугаев В.В. Давыдов, Л.В. Зенков, И.В. Маркова, З.Г. Мингазов, Н.Я. Молотков, А.В. Славин, Л.М. Фридман, Н.М„ Шахмаев, В.А. Штофф и др.).
Постановка современного демонстрационного эксперимента в радиофизическом диапазоне длин волн требует разработки и конструирования различных моделей, аналогов оптических поляризационных явлений. Использование СВЧ-диапазона прій демонстрации опытов с разработанными моделями из волноводных и слоистых диэлектрических структур позволит студентам специальностей радиотехнического профиля получить конкурентоспособные знания о генераторах электромагнитных волн, антенных приемных устройствах, об условии распространения электромагнитных волн в различных волноводных структурах. Это требует разработки новых приборов и устройств с применением радиофизического диапазона длин волн, чтобы обеспечить качество изучения различных поляризационных явлений.
Однако, вопросы реализации дидактического принципа наглядности при изучении поляризации электромагнитных волн не нашли должного отражения в педагогической науки и практики и требуют дополнительного изучения.
Исследования и опыт практической работы позволили нам сформулировать противоречия между:
требованиями общества к уровню профессиональной компетентности специалиста и возможностями высшей технической школы их удовлетворения;
уровнем развития научно-технического прогресса и традиционной системой технических средств обучения в высшей технической школе;
дидактическими возможностями реализации принципа наглядности при изучении поляризации электромагнитных волн и традиционной методикой их реализации в условиях высшей технической школы.
Разрешение сформулированных противоречий обусловило выбор темы исследования, проблема которого может быть сформулирована следующим образом: «Каковы теоретические, технические и методические основы реализации дидактического принципа наглядности при изучении поляризации электромагнитных волн как основы формирования готовности специалиста к изучению дисциплин радиотехнического профиля».
Цель исследования заключается в теоретическом обосновании, разработке и практической реализации методики изучения на базе современных технических средств поляризации электромагнитных волн, как основы глубокого понимания дисциплин радиотехнического профиля.
Объектом исследования является процесс профессиональной подготовки специалистов радиотехнического профиля в высшей технической школе.
Предмет исследования - методика профессиональной подготовки специалиста в условиях высшей технической школы.
В основу исследования положена гипотеза, согласно которой реализация дидактического принципа наглядности при изучении поляризации электромагнитных волн обеспечит более высокий уровень сформирован ности знаний к пониманию учебного материала в дисциплинах радиотехнического профиля, если:
разработать и применить в учебном процессе новые технические средства для демонстрации опытов в радиофизическом диапазоне при изучении поляризации электромагнитных волн;
разработать цикл лабораторных работ с применением сантиметровых электромагнитных волн;
на основе разработанных технических средств применить активные (проблемно-развивающие) методы обучения.
Задачи исследования:
Проанализировать содержание и методы проведения демонстрационных опытов по поляризации электромагнитных волн (света) и кристаллооптике, опубликованные в литературе до нашей работы.
Проанализировать сущность дидактического принципа наглядности и наметить пути его реализации на базе современного демонстрационного эксперимента.
Используя идеи единой теории волновых процессов, разработать и внедрить в учебный процесс систему новых технических средств демонстрационного эксперимента и цикл лабораторных работ для изучения поляризационных явлений в радиофизическом диапазоне длин волн при подготовки специалистов радиотехнического профиля.
Выявить психолого-педагогические особенности активизации учебно-познавательной деятельности студентов на основе нового демонстрационного эксперимента при изучении поляризации электромагнитных волн.
Провести опытно-экспериментальную работу по определению эффективности разработанной методики.
Теоретико-методологической основой исследования являются теория личности, деятельности, саморазвития личности в процессе деятельности. В частности, теория профессиональной педагогики (С.Я. Батышев, А.П. Беляева, Н.В. Кузьмина, М.И. Махмутов, А.Д. Урсул и др.), идеи об освоении деятельности и необходимости формирования ее ориентировочной основы
(Л.С. Выготский, П.Я. Гальперин, В.В. Давыдов, В.Д. Шадриков), о дидактических особенностях организации учебно-познавательной деятельности учащихся (Ю.К. Бабанский, В.П. Беспалько, И.Я. Лернер, М.И. Махмутов, Н.Ф. Талызина, Д.Б. Эльконин, И.С. Якиманская), современные методы и технология обучения в техническом вузе (О.В. Долженко, В.Л. Шатуновский).
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
теоретический анализ проблемы на основе изучения психолого-
педагогической, методической, физической и специальной техниче
ской литературы;
теоретическое и экспериментальное исследование новых учебных опытов, опытно-конструкторская работа по созданию новых технических средств и экспериментальных установок;
педагогический эксперимент для проверки эффективности разработанной методики;
эмпирические методы: анкетирование, тестирование;
статистические методы обработки и анализа результатов педагогического эксперимента.
Опытно-экспериментальная база исследования.
Исследования проводились на базе конструкторско-технологического факультета в Тамбовском государственном техническом университете со студентами специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» в период с 1995 по 2000 г. г.
Исследование проводилось в три этапа.
На первом этапе (1995-1996 г.г.) изучалось состояние проблемы в педагогической теории и практике, а именно: проводилось изучение и анализ научных исследований по проблеме, проводился анализ содержания профессиональной подготовки специалистов радиотехнического профиля, изучался опыт передовой педагогической практики по применению технических
средств в демонстрационном и лабораторном эксперименте, определялись дидактические возможности совершенствования учебного процесса, в аспекте его профессиональной направленности и реализации методов проблемно-развивающего обучения. Были сформулированы гипотеза, цели и задачи исследования, обобщены результаты изучения проблемы, проведен констатирующий эксперимент.
На втором этапе (1996-1998 г.г.) проектировались и конструировались новые демонстрационные и лабораторные установки, отрабатывалась методика их применения в учебном процессе, был подготовлен цикл лабораторных работ с применением сантиметрового диапазона электромагнитных волн, определялись психолого-педагогические возможности активизации учебно-познавательной деятельности в условиях применения нового демонстрационного эксперимента.
Составлены программы формирующего и обобщающего эксперимента, определены формы, методы и сроки их проведения. Проведен формирующий эксперимент, а также количественный и качественный анализ промежуточных результатов.
На третьем этапе (1999-2000 г.г.) обобщались результаты опытно-экспериментальной работы по исследованию влияния разработанной методики изучения поляризации электромагнитных волн (света) на основе новых технических средств демонстрационного и лабораторного эксперимента на уровень готовности студентов к изучению дисциплин радиотехнического профиля. Продолжился формирующий этап эксперимента и проведен обобщающий.
Выполнены систематизация, обобщение и статистическая обработка результатов педагогического эксперимента. Сформулированы выводы, завершено оформление диссертации.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
разработана технология проведения проблемных лекций, обеспечивающая реализацию дидактического принципа наглядности при изучении поляризации электромагнитных волн;
разработана и внедрена в учебный процесс система новых демонстрационных установок с применением сантиметровых электромагнитных волн для изучения поляризационных явлений;
разработан и внедрен в учебный процесс лабораторный практикум по изучению основных свойств электромагнитных волн (в сантиметровом диапазоне), составной частью которого является цикл лабораторных работ по изучению поляризационных явлений;
сформулированы дидактические условия активизации учебно-
познавательной деятельности студентов при изучении поляризации элек
тромагнитных волн на основе новых технических средств демонстрацион
ного и лабораторного эксперимента.
применение СВЧ радиоволн дает возможность использовать искусст
венные среды: волноводные, слоистые диэлектрические структуры, позво
ляющие ставить новые эффективные опыты по поляризации электромаг
нитных волн, которые способствуют формированию готовности (основы
ориентировочной деятельности) студентов к изучению дисциплин радио
технического профиля.
Теоретическая значимость исследования заключается в:
определении дидактических условий активизации учебно-познавательной деятельности студентов в процессе изучения поляризации электромагнитных волн:
* обеспечение профессиональной значимости учебного предмета;
* применение современных технических средств в демонстра
ционном и лабораторном эксперименте;
создание в процессе обучения проблемных ситуаций;.
развитие познавательной самостоятельности студентов;
* включение активных форм и методов организации процесса
обучения.
обосновании необходимости и целесообразности применения новых технических средств современного демонстрационного эксперимента, позволяющих реализовать дидактический принцип наглядности на уровне сущности изучаемых явлений, а на его основе активные методы (проблемно-развивающие) обучения; Практическая значимость исследования состоит в том, что:
реализация дидактического принципа наглядности на основе новых технических средств демонстрационного и лабораторного эксперимента при изучении поляризации электромагнитных волн (света) обеспечивает высокий уровень сформированное знаний к пониманию учебного материала в дисциплинах радиотехнического профиля;
разработанная система демонстрационных опытов, цикл лабораторных работ по поляризации электромагнитных волн могут быть использованы в курсе общей физики и для студентов других специальностей;
разработка экспериментальных установок проведена с расчетом на использование доступных для любого вуза средств и приборов с целью быстрого внедрения их в практику учебной работы;
участие студентов в разработке и создании демонстрационных установок позволяет приобрести им навыки практической работы, которые необходимы в их профессиональной деятельности.
На защиту выносятся: 1. Технология проведения проблемных лекций, обеспечивающая реализацию дидактического принципа наглядности при изучении поляризации электромагнитных волн и способствующая более глубокому и качественному усвоению учебного материала;
Система новых демонстрационных опытов, позволяющая наглядно, на уровне сущности изучаемых явлений, продемонстрировать основные поляризационные эффекты при подготовке специалистов радиотехнического профиля.
Методика формирования профессиональных навыков и умений при проведении лабораторных работ на базе разработанного практикума для изучения поляризационных явлений в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн.
Основные результаты работы неоднократно обсуждались на заседаниях кафедры физики ТГТУ, на заседании лаборатории «Информационные технологии в обучении» и были доложены на конференциях:
четвертой Всероссийской научно-методической конференции «Учебный эксперимент и его совершенствование», Пенза, Пензенский государственный педуниверситет, 23-25 сентября 1998 г.
второй межвузовской научно-практической конференции «Совершенствование теории и методики обучения физике в системе непрерывного образования», Тамбов, Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, 8-10 октября 1998 г.
пятой научно-практической конференции «Школьный физический эксперимент», Удмуртия, Глазов, Глазовский педагогический институт, 28-29 января 1999 г.
четвертой научно-технической конференции ТГТУ. Тамбов, Тамбовский государственный технический университет, 21-22 апреля 1999 г.
шестой научно-практической конференции «Школьный физический эксперимент», Удмуртия, Глазов, Глазовский педагогический институт, 28-29 января 2000 г.
пятой научно-технической конференции ТГТУ. Тамбов, Тамбовский государственный технический университет, апрель 2000 г.
Гносеологические корни наглядности
Рассматривая процесс познания как диалектический процесс отражения в сознании человека объективного материального мира, диалектико-материалистическая теория познания выделяет в проблеме наглядности два аспекта: онтологический и гносеологический. Первый аспект связан с материальной основой психического отражения, ибо оно по своему характеру является материальным процессом взаимодействия живых существ с окружающей средой. Однако онтологическая сторона еще не порождает проблемы наглядности, ибо сама по себе окружающая нас действительность и явления природы не являются ни наглядными, ни ненаглядными. Проблема наглядности возникает только в связи с познанием, отражением в сознании этой действительности в виде наглядного образа, следовательно, не как онтологическая, а как гносеологическая проблема. Гносеологический аспект - это отношение образа к своему источнику-предмету или объекту исследования, характеризующее степень их адекватности или сходства по содержанию [167].
Предметы и процессы материальной действительности, отражаясь в сознании человека, получают как бы свое второе существование в виде идеальных субъективных образов объективного мира. Раскрыть диалектику возникновения нового знания — значит прежде всего проникнуть в сложные процессы формирования, развития и функционирования образов действительности.
Понятие «образ» - одно из центральных в теории познания. Обыденное представление об образе связано, как правило, с его чувственной воспринимаемостью, но в науке понятие образа имеет более широкое значение, охватывая и концептуальные (понятийные) формы отражения. В общегносеологическом смысле под образом понимается любой дискретный элемент знания (в том числе и теория), несущий содержательную информацию о некотором классе объектов [168]. Поэтому в гносеологии образы обычно подразделяют на два основных вида: 1) чувственные образы, отражающие свойства предметов действительности, непосредственно воздействующих на анализаторы человека, и 2) концептуальные ( понятийные ) образы, опосредственно и отвлеченно отражающие наиболее общие и существенные связи и отношения объективного мира, которые раскрываются средствами абстрактного мышления в процессе общественной практики. Такое различение является необходимым, поскольку в человеческом сознании существует континуум образов, не тождественных друг другу по способу построения и характеру предметного соотнесения.
В познавательном процессе человека чувственное и рациональное взаимосвязаны по существу, поскольку они выполняют дополняющие друг друга функции в едином процессе освоения человеком объективной действи IS
тельности. В ходе этого процесса чувственные и рациональные формы познания переплетаются между собой и во многих случаях переходят друг в друга.
Попытка представить человеческое мышление как оперирование одними лишь знаками, как «чистую» второсигнальную деятельность, является такой же условной и абстрактной, как и попытка трактовать процессы творческого воображения человека в виде операций с одними лишь чувственными образами. Старая гносеологическая проблема соотношения чувственного и рационального в сознании вовсе не исчерпала себя, а в связи с особенностями современной науки поворачивается все новыми сторонами и гранями. Вопрос об эмпирическом и теоретическом уровнях познания не подменяет этой проблемы, а является ее конкретизацией и дальнейшим развитием [69].
У современного взрослого человека «чувственная ступень познания» не выступает в «чистом» виде, а находится во взаимодействии и взаимопроникновении с рациональными формами отражения. При анализе образов необходимо исходить из того, что в познании взрослого человека невозможно без тончайших абстракций выделить какие-либо чувственные элементы, лишенные рационального содержания. Любые сигналы, поступающие через органы чувств, дают тот или иной познавательный эффект не прямо и непосредственно, а лишь преломившись через совокупность внутренних условий, определяющих состояние субъекта в данный момент времени. Становясь фактом сознания, они подвергаются вместе с тем логической обработке, входят в упорядоченный строй наших знаний, связываются с определенной языковой системой, то есть возводятся в сферу рационального мышления [72]. Чувственные элементы отражения включаются в комплексы суждений и умозаключений, вне которых они были бы лишены научного значения. Еще Гегель очень тонко заметил, что если послушать естествоиспытателей, «то они наблюдают, говорят только то, что видят; но это не верно, они бессознательно преобразуют непосредственно виденное с помощью понятия» [86, с. 236].
Мозг человека постоянно формирует чувственно-логические (наглядные) образы, осуществляющие регуляцию активного поведения, и творческих поисков человека. К наглядным образам относят, прежде всего, образы восприятия и образы представления. Современной наукой установлено, что восприятие человека является сложнейшим познавательным процессом, включающим в себя селективность, установку, оценку и интерпретацию поступающих сигналов информации, то есть некоторую последовательность мыслительных действий. Благодаря единству сенсорных и интеллектуальных процессов, образности и значения (смысла) в представлении воспроизводится не только чувственно, но и логически обобщенное знание об отражаемых объектах. Причем все эти моменты выступают в нерасчлененом единстве, при котором чувственно-наглядная сторона, по удачному выражению С.Л. Рубинштейна, как бы «освещается» смысловым логическим содержанием и сама является как бы «опорным пунктом» обобщенного логического знания. «Чувственное содержание образа становится носителем смыслового содержания» [160, с. 88].
Единство чувственного и рационального в представлении имеет осно вание в сложности его физиологических механизмов, заключающейся в динамическом взаимодействии первой и второй сигнальных систем. Возникающие в процессе практической и научно-исследовательской деятельности субъекта образы, в свою очередь, сами включаются во внутреннюю структуру данной деятельности, что приводит к дальнейшему обогащению их содержания. По мере накопления информации об объекте происходит усложнение образа, который может достигать довольно высокого уровня абстракции. Связи второй сигнальной системы, рациональные знания, играющие большую роль в формировании представлений, обеспечивают развитие обобщенности и произвольное, целенаправленное оперерирование чувственным материалом в мыслительных актах. Участием в формировании представлений второй сигнальной системы объясняется тот факт, что большое число наглядных образов субъекта является не столько результатом его чувственного опыта, сколько результатом процесса коммуникации [169].
Представления по своей непосредственной чувственной выраженности «бледнее», чем восприятия, и беднее деталями. Но было бы ошибочно считать, что фрагментарность, которая действительно присуща представлениям, их меньшая чувственная выраженность характеризует их природу. Переход от восприятия к представлению связан с изменением структуры образа в сторону обобщения и схематизации. В представлении одни признаки редуцируются или элиминируются как избыточные, другие же, выделенные в результате различения и отбора и несущие наибольшую значимую информацию, напротив, сохраняются и выдвигаются на первый план. Наглядный образ отнюдь не является «чистой чувствительностью», а в результате активной переработки, трансформации материала восприятий под влиянием абстрактного мышления он становится носителем логически обобщенного знания. В этом проявляется активный, творческий характер процесса отражения, состоящий в построении образов внешнего мира. Таким образом, представления человека - это форма познания, постоянно взаимодействующая со всеми другими чувственными и логическими механизмами мышления. Представление как бы отходит от своего чувственного источника, но при этом нужно иметь в виду, что, обогащаясь рациональными элементами и обобщая наиболее типичные свойства объекта, оно более правильно и глубоко отражает его.
Процесс схематизации, то есть замены сложного предмета или явления мысленно представленным планом или визуальной схемой, является в психологии твердо установленным фактом. Однако наглядно представленая схема в действительных процессах мышления является только одним из компонентов сложного интегрального образа. Без наполнения этой схемы абстрактно логическим, рациональным содержанием она была бы совершенно бесполезным образованием, не несла бы никакой полезной информации.
Процесс схематизации образа не сводится к его обеднению, к простой утрате некоторых характеристик, черт. Это скорее своеобразная реконструкция наглядного образа, в результате которой функция изображения у него сочетается с функцией обозначения. Реконструкция наглядного образа сводится к такой переработке чувственного материала, при которой роль « информативных точек» играют не цвет, запах и т.д. объекта мысли, а его структурные свойства, воплощающие в себе предметно-смысловое содержание. Вообще говоря, содержание образа определяется не столько самими входящими в него признаками, сколько характером их связей между собой. Наглядный образ - это не чувственная обобщенная схема класса предметов, формирующаяся на основе первосигнальной генерализации, а единица весьма абстрактной классификационной системы (доминирующую роль в которой играет вторая сигнальная система), благодаря которой сознанием осуществляется операция «отнесения к классу» [168].
Генераторы дециметровых и сантиметровых волн
При изучении электромагнитных волн их свойства должны быть убедительно обоснованы на основе демонстрационного эксперимента. Поставленная цель по изучению основных свойств электромагнитных волн может быть достигнута лишь при использовании демонстрационного эксперимента, основанного на применении волн различных диапазонов. Наиболее приемлемыми являются дециметровый и сантиметровый диапазоны электромагнитных волн. Демонстрационный эксперимент в этих диапазонах обладает хорошей наглядностью, а демонстрационные установки имеют сравнительно небольшие размеры и свободно размещаются на демонстрационном столе.
Формирование понятия о поляризации электромагнитных волн (света) начинается, как правило, с рассмотрения одного из важных свойств электромагнитных волн - их поперечности. Это свойство электромагнитных волн, излучаемых, например, электрическим диполем, может быть убедительно показано с помощью генератора дециметровых волн на транзисторе КТ-911 А, разработанным Б.Ю. Миргородским и В.К, Шабалем [109].
Общий вид установки для демонстрации основных свойств электромагнитных волн показан на рис. 1. Установка состоит из генератора дециметровых волн (1) и приемной дипольнои антенны (2). В качестве детектора в приемной дипольнои антенне используется полупроводниковый диод Д-403. При проведении демонстраций приемный диполь соединяется с входом осциллографа (гальванометра, микроамперметра). Так как данный генератор еще не приобрел широкого распространения в лекционных демонстрациях остановимся подробнее на его конструкции.
Генератор дециметровых электромагнитных волн (ДЦВ) собран на транзисторе КТ-911 А по схеме с емкостной обратной связью (рис.2). Обратная связь у генератора осуществляется через межэлектродную емкость транзистора и монтажную емкость. Колебательным контуром генератора является несимметричная линия L], роль которой выполняет медная трубка длиной 55 мм и диаметром 5 мм. Дроссели L2-L4 необходимы для модуляции высокочастотных колебаний с помощью, например, звукового генератора. Генератор ДЦВ монтируют на фольгированной с одной стороны стеклотекстолито-вой плате. Монтажная плата генератора ДЦВ показана на рис.3, а размещение деталей на плате на рис.4. Контур генератора (медная трубка) с одной стороны припаян к болту М4, который соединяется с массой. К другому концу трубки припаивают коллекторный вывод транзистора. Для охлаждения транзистора его помещают в радиатор, изготовленный из двухмиллиметрово-го алюминиевого уголка. Конденсаторы С і и С2 должны быть безындукционными типа КТК, КЛС, КМ. Дроссели L2-L4 - бескаркасные с внутренним диаметром 5 мм. Их наматывают проводом ПЕЛ 0,8 по 7 витков каждый. Смонтированную плату генератора ДЦВ закрепляют винтами между двумя пластинами из органического стекла, толщиной 3-4 мм, размерами 100x100 мм. Излучающий диполь изготавливают из медной трубки диаметром 5-6 мм и длиной 330 мм (на 10 мм меньше половины длины волны). В средней части трубки припаивают винт, с помощью которого диполь крепится к плате генератора. Для питания генератора необходимо постоянное напряжение 22-25 В. В качестве источника питания можно использовать школьный выпрямитель ВС4-12, выход которого необходимо заблокировать электролитическим конденсатором емкостью 200 мкФ (LN50 В).
Приемником дециметровых электромагнитных волн является диполь с высокочастотным диодом, соединенный с осциллографом (гальванометром). Также в качестве приемника можно использовать лампочку на 1 В, но для этого принимаемый диполем сигнал необходимо предварительно усилить.
Приемный диполь изготавливают из двух медных трубок длиной 120 мм каждая диаметром 5-7 мм и двух медных стержней длиной 120 мм. (рис.1). Стержни должны плотно входить внутрь медных трубок. Крепят трубки вместе с высокочастотным диодом на пластине из органического стекла размером 70x50 мм. На этой же пластине крепят две клеммы, два высокочастотных дроселя и конденсатор (электрическая схема показана на рис. 5). Дроссели Li и L2 такие же, как у генератора. В приемном диполе можно использовать высокочастотные диоды типа ДЗ, ДКИ, ДК-В2, Д403, ДКС7М. Для индикации принимаемых электромагнитных колебаний электрической лампочкой (U=1B) можно изготовить усилитель на двух транзисторах типа КТ-315 (рис.6). В качестве источника питания для усилителя используется батарейка на 1,5 В. Данный генератор дециметровых волн (А,=60 см) позволяет наглядно продемонстрировать основные свойства электромагнитных волн, излучаемых электрическим диполем.
С меньшей длиной волны (А,=10 см.) генератор дециметровых волн на клистроне К-11 разработан профессором Н.Я. Молотковым [114].
Для моделирования «оптических опытов» в радиофизическом диапазоне мы используем генератор сантиметровых волн (Х=3.2 см), разработанный для учебных целей Н.М. Шахмаевым [181]. Подробное описание электрической схемы генератора сантиметровых волн на клистроне К-19 и принцип его работы можно найти в литературе [117], Остановимся несколько подробнее на тех свойствах этого генератора и приемной антенны, которые потребуются при постановке «оптических опытов» по поляризации света. Знание этих свойств необходимо довести до сознания студентов, чтобы они в дальнейшем при постановке более сложных опытов по поляризации с применением сантиметрового диапазона электромагнитных волн могли ориентироваться в таких понятиях как: главная линия поляризации источника (генератора) электромагнитных волн, главная линия поляризации приемной рупорной антенны и т.д.
На рис.7 показан общий вид генератора сантиметровых электромагнитных волн на клистроне К-19 и приемной рупорной антенны для этих же волн. Для получения направленных сантиметровых электромагнитных волн отражательный клистрон К-19 (1) устанавливается на прямоугольном волноводе (2) сечением 23x10 мм так, чтобы излучающий диполь клистрона был расположен внутри волновода перпендикулярно к его широкой стенке (рис.7). При изготовлении генератора необходимо принять меры изоляции коаксиальной линии и четвертьволнового диполя от стенок волновода. Четвертьволновый диполь клистрона выполняет роль активного штырька связи и позволяет возбудить в прямоугольном волноводе направляемую бегущую электромагнитную Но і-волну. Прямоугольный волновод нагружается с одной стороны излучающей рупорной антенной. В противоположной стороне прямоугольного волновода устанавливается подвижный металлический плунжер, выполняющий роль зеркала для электромагнитных волн. При настройке прибора плунжер необходимо установить на расстоянии четверти направляемой длины волны от излучающего диполя. Питание генератора осуществляется от источника постоянного тока ВУП. Модулятор, собранный по схеме мультивибратора, располагается в отдельном блоке (3) (рис.7). Приемник сантиметровых электромагнитных волн состоит из рупорной антенны (
Дидактические условия активизации учебно-познавательной деятельности студентов при изучении поляризации электромагнитных волн
Качество усвоения учебного материала во многом зависит от целенаправленной активной учебно-познавательной деятельности обучаемых. Основная задача профессорско-преподавательского состава высшей школы найти такие формы, методы и средства обучения, которые позволят сформировать эту активность. В качестве главных дидактических условий активизации учебно-познавательной деятельности обучаемых в процессе изучения поляризации электромагнитных волн, основываясь на выводах ведущих дидактов и методистов [5, 19, 36, 117, 138, 139 и др.], а также на результатах нашего исследования, мы выделяем:
обеспечение профессиональной значимости учебного предмета;
применение современных технических средств в демонстрационном и лабораторном эксперименте;
создание в процессе обучения проблемных ситуаций;
развитие познавательной самостоятельности студентов;
включение активных форм и методов организации процесса обучения.
Раскроем последовательно суть каждого выделенного дидактического условия.
Качество подготовки студентов по различным учебным предметам so многом связано с осознанием ими значимости данной дисциплины для дальнейшей профессиональной подготовки. Сложившаяся в настоящее время предметная система, при которой приобщение к специальности начинается только на старших курсах, не может рассматриваться в качестве оптимальной, поскольку ее основу образует вера студентов в то, что все предметы, подлежащие изучению, потребуются в его профессиональной деятельности. На практике такая вера чаще всего отсутствует. Следствие такого «атеизма» - субъективное деление студентом дисциплин на «нужные» или «ненужные, ориентация - нередко до последнего курса - на чистое восприятие изучаемого материала (ради положительной оценки). Однако до тех пор, пока не будет ясен смысл дисциплины с точки зрения потребностей будущей профессиональной деятельности, того круга задач, которые ее изучение поможет решить, нельзя и ожидать творческой активности со стороны студента [36]. Следовательно, задача преподавателя показать значимость усвоения материала данной учебной дисциплины и влияние этих знаний на дальнейший уровень подготовки к профессиональной деятельности. В этом случае, как показано у А.А. Вербицкого «Учение не замыкается здесь само на себе — учиться, чтобы получить знания, - а выступает той формой личностной активности, которая обеспечивает воспитание необходимых предметно-профессиональных и социальных качеств личности специалиста» [19, с32].
Применение современных технических средств в лекционных демонстрациях позволяет решить ряд учебных задач: во-первых, демонстрационный эксперимент в лекционных условиях может быть подтвердением излагаемого теоретического материала, во-вторых, постановкой задач исследовательского характера, и в-третьих постановке проблемно-творческого эксперимента. Для обучаемых характерно желание изменить условия проведения эксперимента и прогнозирование его результатов. Разумеется, роль демонстрационных опытов не ограничивается постановкой задач-проблем - их значение гораздо шире. С точки зрения психологов, применение наглядных демонстраций является средством возбуждения познавательного интереса у обучаемых. Приобщение студентов в общей методологии научного познания на основе демонстрационного эксперимента: от фактов к постановке проблемы, от гипотезы к выводам теоретических следствий, от нахождения идеи эксперимента к его реализации, позволяет эффективно развивать их познавательную активность и самостоятельность. В результате реализуется такая функция наглядности, как управление познавательной деятельностью обучаемых. Управляющее воздействие на процесс познания может состоять в следующем:
включение обучаемого в активный познавательный поиск, который благополучно разрешается в связи с созданием опоры на конкретно-чувственные образы;
стимулирование различных сторон психической деятельности (внимания, интереса, мотивации и др.) )03
Еще одно из условий активизации учебно-познавательной деятельности обучаемых является создание проблемных ситуаций. Если.в традиционном обучении вначале дают знания, способ или алгоритм решения, а затем примеры на которых можно поупражняться, то на проблемной лекции включение мышления студентов осуществляется преподавателем с помощью создания проблемной ситуации еще до того, как они получат всю необходимую информацию, составляющую для них новое знание, например, о способе решения той или иной задачи.
Проблемная ситуация - особый вид мыслительного взаимодействия обучающего и обучаемого. Компонентами учебной ситуации, в которую преподаватель ставит студентов в проблемном обучении, являются: объект познания (изучаемый материал), субъект познания (обучаемый), процесс мыслительного взаимодействия субъекта с объектом (процесс мышления, направленный на данный объект) и особенности этого взаимодействия, обусловленные спецификой материала и дидактических приемов организации познавательной деятельности. Среди их компонентов непсихологическим является учебный материал.
В самом деле, в учебном процессе всегда есть субъект, способный размышлять, и всегда есть учебный материал, над которым можно размышлять. Однако часто учебный материал сам по себе не способствует появлению у обучаемых особого вида мыслительного взаимодействия (хотя они и взаимодействуют с учебным материалом).
Такое взаимодействие не является проблемной ситуацией. Создание проблемной ситуации требует особой подачи учебного материала с тем, чтобы он способствовал появлению особого вида мыслительного взаимодействия.
C.JL Рубинштейн установил: «Наличие в проблемной ситуации противоречивых данных с необходимостью порождает процесс мышления, направленный на их снятие» [161].
Следовательно, в учебном процессе вводятся противоречивые данные, а точнее, если организовывать и представлять его в форме противоречий, то согласно утверждению психологов он будет порождать мышление. И в этом случае можно говорить об особом виде мыслительного взаимодействия.
Чтобы успешно применять проблемные ситуации в обучении, необходимо прежде всего уяснить их психологическую структуру, а затем дидактические возможности их применения в учебном процессе.
Что включает в себя проблемная ситуация?
Неизвестное, раскрываемое в проблемной ситуации (то есть новое усваиваемое отношение, способ или условие действия). Поэтому, чтобы создать проблемную ситуацию на лекции, нужно поставить обучаемых перед необходимостью выполнения такого задания, при котором подлежащее усвоению знания будут занимать место неизвестного [105].
Важнейшей характеристикой неизвестного в проблемной ситуации является определенная степень обобщения, поэтому и степень трудности проблемной ситуации характеризуется степенью обобщенности того неизвестного, которое должно быть в ней раскрыто.
Выделение неизвестного в качестве компонента проблемной ситуации отражает предметно-содержательную сторону мышления. Однако есть еще и мотивационная сторона. Для того чтобы мыслительный процесс совершился, нужны мотивы, побуждающие человека думать. Именно мотив служит той движущей силой, которая помогает включиться в мыслительный процесс.
Итак, в психологическую структуру проблемной ситуации входит неизвестное достигаемое знание или способ действия; кроме этого компонента, психологи включают познавательную потребность, побуждающую человека к интеллектуальной деятельности, и интеллектуальные возможности человека, включающие его творческие способности и прошлый опыт. Необходимо отметить, что компоненты психологической структуры проблемной ситуации характеризуют и внутренние условия мышления. В силу этого проблемная ситуация возникает только при наличии определенных внутренних условий мышления.
Для применения на практике дидактического и методически обоснованных приемов создания проблемных ситуаций преподаватели должны знать общие закономерности их возникновения, которые сформулированы в виде типов проблемных ситуаций,
В настоящее время имеется свыше 20 классификаций проблемных ситуаций (рис.36) [164]. В результате анализа имеющихся классификаций считаем, что для организации обучения студентов целесообразно основываться на классификации, предложенной A.M. Матюшкиньш [105].
За основу он предложил взять три общих основания.
Первое - действие, которое является главным элементом поведения человека, его действительности, а также одним из наиболее общих элементов, усваиваемых человеком в процессе обучения. В строении действия принято выделять три компонента: цель, способ и условие действия, которые включают в себя прежде всего специфические условия, определяемые особенностями предмета действия. В зависимости от того, какой из структурных компонентов действия будет представлен в проблемной ситуации как неизвестное, возможны три достаточно общих класса проблемных ситуаций.
К первому классу относятся такие, в которых усваиваемым неизвестным является цель (предмет действия). В ситуациях такого рода неизвестному будут соответствовать какие-либо изучаемые человеком закономерности, те или иные теоретические положения.
Чаще всего они создаются на лекциях, когда обучаемые усваивают большой объем информации, для активизации их мыслительной деятельности.
