Содержание к диссертации
Стр.-
ВВЕДЕНИЕ........ 17
Глава I. ПОНЯТИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В НАУКЕ И ОБУЧЕНИИ
і.і.ї Содержание понятия электромагнитного поля в
физике . . . ... ..- . . ........ .- 18
1.2. Пути формирования понятия электромагнитного
поля .................... 33
Понятие электромагнитного поля в курсе физики средней школы (действующая программа и учебники) . . . . . 39
Анализ научно-методических исследований по вопросам изучения электромагнитного поля в школьном курсе физики ............... 52
Глава П. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ
2.1. Теоретические основы отбора учебного материала 60
2.2, Направления построения содержания и структуры
учебного материала, формирующего понятие элек
тромагнитного поля ........,.,.. 68
2.-3.- Структура и содержание учебного материала, направленного на формирование понятия электромагнитного поля ............... 76
Глава Ш. МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ, СВЯЗАННОГО С ПОКОЯЩИМСЯ И РАВНОМЕРНО ДВИЖУЩИМСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗАРЯДОМ
Введение первоначальных сведений об электромагнитном поле .....-..........-.. 98
Электромагнитное поле в вакууме .......-. 120
Электромагнитное поле в веществе . . . . , .- .- 150
Стационарное электромагнитное поле ...... 163
Глава ІУ. ПВДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
4.1,- Цели, задачи и организация проведения опытной
работы .................... 171
Стр.
4.2. Результаты педагогического эксперимента .... 180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..- ......... 198
БИБЛИОГРАФИЯ....... . 201
ПРИЛОЖЕНИЕ........ 215
Введение к работе
Актуальность темы исследования.- Вопросы формирования понятия электромагнитного поля были и остаются вопросами пристального внимания методистов как в связи с важностью этого понятия для миропонимания учащихся, так и в связи с наличием существенных недостатков в знаниях их по разделу "Электродинамика" курса физики 9-го класса.
Данные многочисленных проверок знаний учащихся об электромагнитном поле констатируют, что выпускники средней школы не усваивают содержание этого понятия» Большинство из них под электромагнитным полем понимают пространство или среду, в которой заряды движутся и взаимодействуют, а не реально существующий объект природы. Соответственно такому пониманию его считают, что электрические, магнитные, электромагнитные явления происходят в результате взаимодействия зарядов, токов, магнитов.
Все это вызывает большое число методических исследований по вопросам методики изучения электромагнитного поля в курсе физики средней школы, В настоящее время наметились два направления в этих исследованиях.
Первое связано с совершенствованием методики изложения различных вопросов раздела "Электродинамика" без изменения его структуры (Гвалия Д.И., Зыков В.В., Савченко В.Ф., Снежко М.Я., Яблонский Э.В, и др.).
Второе направление связано с построением методики раздела таким образом, чтобы в нем изучалось электромагнитное поле (Бес-палько И.И., Бордонская Л.А., Волыптейн С Л,, Катюк B.C., Сургу-ладзе Е.Т,, Сущенко С .С, Шахмаев Н.М. и др.О. Для этого предлагается ввести понятие электромагнитного поля не в курсе физики
- 5 -10-го класса, а в разделе "Электродинамика" курса физики 9-го класса на основе использования либо уравнений Максвелла, либо элементов теории относительности. Тем самым был сделан первый шаг на пути построения методики изучения электромагнитного поля как материального объекта.
Однако авторы исследований второго направления ограничились разработкой способов и определением места введения в раздел понятия электромагнитного поля, сохранив исторический путь его формирования и трактовку его физической сущности. По-прежнему электростатическое, стационарное, магнитное поля изучаются последовательно друг за другом как самостоятельные поля, а не проявления электромагнитного поля и трактуются как посредники взаимодействия зарядов, токов, магнитов. Согласно этому пути поле вводится как второстепенное понятие и не предстает перед учащимися как материальный объект* Это не позволяет построить электродинамику школьного курса физики как учение об электромагнитном поле*
"В школьном курсе физики, чтобы он отражал современное развитие науки, необходимо рассматривать не элементы учения об электричестве и магнетизме, а изучать электродинамику - науку о свойствах и закономерностях электромагнитного поля, взаимодействующего с заряженными телами" (65, с .5).
Этот вывод сделан в работах профессора С.Е.Каменепкого, который впервые связал недостатки в знаниях учащихся с недостатками структуры и содержания раздела в целом, несоответствием их построения поставленной перед разделом задаче формирования у учащихся понятия электромагнитного поля как вида материи* Это принято в нашем исследовании в качестве исходного положения*
Предметом исследования является методика изучения электро-
магнитного поля в разделе "Электродинамика" курса физики средней школы,-
Однако для того, чтобы электродинамика школьного курса физики стала учением о свойствах и закономерностях электромагнитного поля>необходим иной путь формирования этого понятия, позволяющий разработать методику изучения электромагнитного поля как сквозного понятия учебного материала, идея о построении которой выдвинута профессором С.Е.Каменецким,
Это позволило сформулировать гипотезу и определить цель исследования.
Гипотеза исследования; на основе формирования понятия электромагнитного поля как сквозного понятия возможно повышение эффективности усвоения основных вопросов электродинамики.
Цель исследования: выявить наиболее эффективный путь формирования понятия электромагнитного поля как вида материи в школьном курсе физики.
Исходя из цели были поставлены следующие задачи исследования;
Определить содержание понятия электромагнитного поля, которым должны овладеть- учащиеся средней школы,
Отобрать содержание и построить структуру учебного материала, направленного на формирование понятия электромагнитного поля как материального объекта,
Разработать методику формирования понятия электромагнитного поля как сквозного понятия электродинамики,-
Экспериментально проверить влияние предлагаемых изменений в структуре, содержании учебного материала и методике его изложения на формирование научно правильного понятия электромагнитного поля у учащихся.
_ 7 -
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования и виды деятельности; изучение документов партии и правительства по вопросам обучения $ теоретический анализ физической, философской, педагогической, психологической, методической литературы $ педагогический эксперимент $ наблюдение за учебным процессом $ анализ результатов экспериментальной работы і обсуждение результатов исследования на семинарах и конференциях.
Содержание понятия электромагнитного поля, которым должны овладеть учащиеся средней школы, было выявлено нами на основе содержания понятия электромагнитного поля как вида материи, существующего в настоящее время в классической физике. Анализ работ физиков, в первую очередь^М Фарадея, Д.К.Максвелла, А*Эйн-штейна, а также анализ философской литературы позволили сформулировать положения, определяющие точку зрения на поле как вид материи. Они состоят в следующем:
а) в природе существует единое электромагнитное поле, и
является оно таковым независимо от наблюдения его в каком-либо
конкретном своем состоянии;
б) электрическое и магнитное поля - его компоненты, не
представляющие собой независимых материальных сущностей ;
в) поле - целостный материальный объект, обладающий слож
ной внутренней структурой: имеет компоненты, связи, свойства,
характеристики $ подчиняется законам и принципам природы $
г) электромагнитное поле всегда связано с электрическим
зарядом, изменение характера движения которого приводит к изме
нению наблюдаемых его конкретных проявлений: статического, ста
ционарного, переменного, соответствующих покоящемуся, равномер
но и ускоренно движущемуся электрическому заряду.- Свободного
- 8 -поля как некоего самостоятельного поля в природе нет $
д) поле не является атрибутом какой-либо среды $
е) поле способно к непосредственному взаимодействию с ве
ществом. В этом смысле оно самостоятельно и не является посред
ником взаимодействия.
Знание свойств, связей, характеристик поля $ законов и принципов природы, которым оно подчиняется как материальный объект, непосредственно взаимодействующий с веществом, проявляющий себя по-разному при изменении условий наблюдения поля, составляет содержание понятия электромагнитного поля, которое должно быть усвоено учащимися средней школы.
Формирование понятия электромагнитного поля как вида материи в школьном курсе физики возможно двумя путями.
Первый, традиционный, путь отражает содержание периодов становления электродинамики. Согласно этому пути сначала рассматриваются статические электрические и магнитные явления, а поле вводится как второстепенное понятие для объяснения взаимодействия зарядов и токов.- Затем после изучения переменного электромагнитного поля доказывается объективность его существования в природе.
Наиболее эффективным, с нашей точки зрения, является второй путь формирования понятия электромагнитного поля, в основе которого лежит современная точка зрения классической физики на поле как целостный материальный объект и положения теории познания об осознании объективности существования материальных объектов.
Убежденность в объективности существования в природе электромагнитного поля может прийти в том случае, если поле включено в практическую деятельность учащихся, т.е.^ выступает для них
- 9 -объектом познания. Это позволяет разработать путь формирования понятия электромагнитного поля,соответствующий логике изучения вещественных объектов природы, содержание которой составляют следующие виды деятельности:
Выделение электромагнитного поля как объекта природы из окружающей действительности для его изучения.
Исследование его свойств, характеристик, отражающих его индивидуальность $ принципов, законов природы, которым оно подчиняется,
Рассмотрение изменения этих свойств, характеристик при изменении условий исследования поля.
Эта последовательность видов деятельности, по-существу, аналогична той, которую используют учащиеся при исследовании вещества,- Однако при этом следует учесть особенности электромагнитного поля как полевого объекта.
Электромагнитное поле в отличие от вещества может быть изучено только опосредованно, благодаря его способности непосредственно взаимодействовать с веществом, которое при этом изменяет свое первоначальное состояние и служит индикатором свойств поля. Индивидуальные свойства поля определяются при рассмотрении действия поля в вакууме на пробный заряд, являющийся в этом случае индикатором поля. Изменение этих свойств, особенные свойства поля, исследуются в различных вещественных средах. Индикатором этих свойств служит само вещество.-
Кроме этого, при определении пути формирования понятия электромагнитного поля как материального объекта, следует учесть и его структурные особенности,'
Для электромагнитного поля можно выделить два качественных состояния, определяемых характером связи с электрическим
- 10 -зарядом: поле постоянное и поле динамическое.
Первое состояние определяется связью с покоящимся и равномерно движущимся электрическим зарядом. При этом электрическая компонента поля имеет потенциальный, а магнитная - вихревой характер.- В случае ускоренно движущегося электрического заряда, определяющего второе качественное состояние, обе компоненты имеют вихревой характер. Их взаимосвязь такова, что нельзя создать (найти) условия изучения электромагнитного поля, при которых можно было бы, как для первого качественного состояния, их независимое рассмотрение.
Для того,чтобы исследовать свойства качественно более сложного состояния электромагнитного поля, следует сначала изучить свойства электромагнитного поля, связанного с покоящимся и равномерно движущимся электрическим зарядом^функционирующим в виде статического и стационарного полей, а затем перейти к рассмотрению второго качественного состояния поля, функционирующего в этом случае в виде переменного поля.
Это позволило нам выделить два этапа формирования понятия электромагнитного поля:
На первом этапе для поля,связанного с покоящимся и равномерно движущимся электрическим зарядом, следует:
Ввести первоначальные сведения об электромагнитном поле.
Определить его свойства и характеристики в вакууме по действию на пробный заряд. Установить принципы и законы, которым оно подчиняется.
Исследовать изменение этих свойств и характеристик в веществе по действию на него.
На втором этапе исследовать качественные особенности переменного электромагнитного поля.
- II -
Согласно предложенному пути формирования понятия электромагнитного поля учебный материал направленный на формирование его, объединен нами в следующие четыре части: "Первоначальные сведения об электромагнитном поле", "Электромагнитное поле в вакууме", "Электромагнитное поле в веществе", "Переменное электромагнитное поле".
В предлагаемой диссертации отобрано содержание и разработана методика для изучения трех первых частей.
Руководящим принципом отбора содержания учебного материала служил принцип системного видения понятия электромагнитного ПОЛЯ, разрабатываемый в настоящее время в психолого-педагогической литературе.
Идея введения понятия поля в начале раздела не нова. Наиболее обоснованно она дана в кандидатской диссертации Д.А.Бор-донской. Однако цели и содержание введения первоначальных сведений об электромагнитном поле в нашей диссертации иные в соответствии с предложенным путем формирования понятия электромагнитного поля.
В работе Л .А.Бордонской введение представляет собой качественный этап изучения понятия поля.. Поэтому на качественном уровне рассмотрены все возможные сведения о нем, что позволяет автору дать и определение понятия электромагнитного поля. По-су-ществу, это миниэлектродинамика, излагаемая на качественном уровне.
В предлагаемой диссертации целью данной части учебного материала является обоснование объективности существования в природе единого электромагнитного поля без рассмотрения его свойств, характеристик и тем более какого-либо его определения.
При построении методики изучения учебного материала данной
- 12 -части сначала обосновывается объективность существования электрического и магнитного полей на основе сведений о них из курса физики 7-го класса, а затем показывается, что они являются лишь компонентами единого электромагнитного поля, которое существует в природе, всегда связано с электрическим зарядом, обнаруживает свое существование благодаря способности непосредственно взаимодействовать с веществом,-
Индивидуальность электромагнитного поля определяет знание следующих понятий, входящих в учебный материал второй части предложеннойранее его структуры:
силовое действие ПОЛЯ $
характеристики электромагнитного поля (напряженность, магнитная индукция, потенциал) ;
принцип суперпозиции ;
графическое изображение $
законы силового действия.
При построении методики этой части учебного материала электрическое и магнитное поля рассматриваются параллельно путем выявления сходства и различия их свойств как компонент электромагнитного поля на основе применения единого экспериментального метода их изучения, состоящего в анализе характера движения индикатора поля (покоящийся заряд для электрического и движущийся -для магнитного поля), изменяющего свое первоначальное состояние под действием ПОЛЯ.
Особенности электромагнитного поля рассматриваются при анализе результатов взаимодействия поля и вещества как изменение свойств поля в различных средах. При этом предлагается изучать изменение электрической компоненты поля в проводниках, полупроводниках и диэлектриках; магнитной - в диа-, пара-, ферро-
- ІЗ -магнетиках. Причем электрические и магнитные свойства вещества, рассматриваемые в этом учебном материале, излагаются на основе феноменологического подхода.
При построении методики изучения электромагнитного поля в веществе также используется единый экспериментальный метод, состоящий в анализе характера поведения индикатора поля.
Первый этап формирования понятия электромагнитного поля завершается рассмотрением стационарного электромагнитного поля, как его конкретного проявления в случае равномерно движущихся электрических зарядов. Причем учебный материал о стационарном поле отделен от учебного материала о закономерностях тока и его законах. Законы постоянного тока и вопросы тока в различных средах составляют отдельные темы раздела,
В результате отбора содержания учебного материала электродинамики, необходимого для первого этапа формирования понятия электромагнитного поля, была разработана программа, рассчитанная на 54 часа, вместо 63-х, отведенных ныне действующей программой на тот же учебный материал. Предложенная программа отличается от действующей иной компоновкой учебного материала и иной расстановкой акцентов в отдельных ее частях.
Новизна выполненного исследования заключается в следующем:
разработан путь формирования понятия электромагнитного поля как материального объекта, В его основе-изучение электромагнитного поля как целостного материального объекта, аналогично тому,как это делается при изучении вещества в курсе физики средней школы}
предложена структура учебного материала электродинамики, в основе которой-содержание видов деятельности,направленной на изучение поля как материального объекта;
разработано введение понятия электромагнитного поля на примере поля, связанного с покоящимся и равномерно движущимся зарядом ',
разработана методика изучения электромагнитного поля в вакууме и в веществе на основе единого экспериментального метода его исследования $
предложена методика изучения электрического и магнитного полей как компонент электромагнитного поля посредством использования единого методического подхода к их изучению^
Практическая значимость исследования состоит в том, что разработанная методика изучения электромагнитного поля может быть использована учителями средней школы непосредственно в их работе, а также учтена авторами учебников и методических пособий.
Она позволила:
сократить учебное время на изучение отобранного учебного материала на 19$, что в свою очередь не приводит к ухудшению знаний учащихся j
уделить большее внимание на повторение и закрепление знаний учащихся;
ликвидировать повторы в учебном материале.
Данные экспериментального преподавания, отзывы учителей, участвовавших в эксперименте, позволили сделать вывод о том, что предложенные направления совершенствования структуры, содержания и методики изучения учебного материала об электромагнитном поле позволяют сформировать у учащихся научно правильное понятие электромагнитного поля как вида материи.
Апробация результатов исследования осуществлялась в процессе экспериментального преподавания в школах № 45,56,637 го-
- 15 -рода Москвы и в школах № 1,13,33,42,85 города Н.Тагила, в процессе обсуждения полученных результатов на научных конференциях, семинарах учителей г.Москвы, Материалы исследования докладывались:
На аспирантском семинаре кафедры методики преподавания физики МШИ ИМ.Б.ИЛенина (март 1982г.).
На семинаре молодых учителей г.Москвы, под руководством проф.Б.М.Яворского (май 1982г.).
На Ленинских чтениях в МГПИ им.В.ИЛенина (апрель 1981г., апрель 1982г.).
На Герценовских чтениях в ЛГПИ им. А.И .Герцена (май 1981г., май 1982г.).
Эксперимент проводился в три этапа.- Первый этап (1980-1981гг.) - констатирующий эксперимент. На данном этапе было вы-явдшо понимание учащимися средней школы понятия электромагнитного поля.
На втором этапе (І98І-І982гг. - поисковый эксперимент) разрабатывалась наиболее эффективная структура и содержание учебного материала, направленного на формирование понятия электромагнитного поля, определялись наиболее трудные места при его изложении, выявлялось соответствие их построения предложенному пути формирования понятия электромагнитного поля, подбирались необходимые дидактические средства.
На третьем этапе (1982-1983 гг. - обучающий эксперимент) проводилось экспериментальное преподавание в ряде школ, получены качественные и количественные данные результатов преподавания. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии, приложения* Объем 159 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 37 рисунков, 30 таблиц, 2 схемы.
В первой главе анализируется физическая, философская, методическая литература с целью выявления содержания понятия электромагнитного поля в физике и возможнбк путей его формирования у учащихся.
Во второй главе обосновываются перспективные направления построения структуры и содержания учебного материала, направленного на формирование понятия электромагнитного поля, дается программа учебного материала трех первых частей предложенной структуры.
В третьей главе даны методические рекомендации по изучению конкретных вопросов программы.
В четвертой главе представлены результаты экспериментального преподавания.
Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:
Применение логических структур учебного материала при обучении физики. - Физика в школе, 1981, с.50-53 (в соавторстве) .
Электромагнитное поле в вакууме. Материалы для эксперимента. М.: МШИ им.В.И.Ленина, 1983. - 39 с.
Электромагнитное поле в веществе. Материалы для эксперимента. М.: МГПИ им.В.И.Ленина, 1983. - 46 с.
На защиту выносятся следующие положения:
Путь формирования понятия электромагнитного поля как материального объекта обеспечивает построение методики его изучения в школьном курсе физики как сквозного понятия электродинамики.
Разработанная методика изучения электромагнитного поля
- 17 -как сквозного понятия электродинамики курса физики 9-го класса позволяет формировать научно правильное понятие электромагнитного поля у учащихся с меньшими временными затратами, способствует развитию их мировоззрения и логического мышления.
