Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ 10
1.1. Моделирование - метод научного познания 10
1.2 Этапы исследования строения атома и атомного ядра в физике. Принцип историзма: 16
1.3.Опыт изучения некоторых моделей атома и атомного ядра в основной и средней школе 26
1.4. Уровневая структура целей общего образования и обучения физике 30
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА В КУРСЕ ФИЗИКИ ОСНОВНОЙ ШКОЛЫ 42
2.1. Содержательная схема изучения атома и атомного ядра в курсе физики основной школы 42
2.2. Поэтапное изучение строения атома и атомного ядра 49
2.3. Строение атома. Элементы электронной теории 51
2.4. Световые волны 58
2.5. Теория Бора 60
2.6. Строение атомного ядра 63
2.7. Применение моделей для объяснения явлений 64
2.8. Уровни достижений учащихся по формированию понятия
о моделях 69
ГЛАВА 3. СОДЕРЖАНИЕ И ОРГАНИЗАЦИЯ ФАКУЛЬТАТИВНОГО КУРСА "ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА, ИНДУЦИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ''76
3.1. Структура учебного материала 76
3.2. Открытие электрона 78
3.3. Вариативные модели атома 81
ГЛАВА 4. ОРГАНИЗАЦИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 94
4.1. Организация педагогического эксперимента 94
4.2. Основные результаты педагогического эксперимента 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 106
БИБЛИОГРАФИЯ 109
- Моделирование - метод научного познания
- Содержательная схема изучения атома и атомного ядра в курсе физики основной школы
- Структура учебного материала
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последние годы наметилась тенденция перехода курса физики к трехэтапному обучению
На первом этапе, пропедевтическом, в начальной школе учащиеся изучают основные явления окружающего мира, в курсе "Окружающий мир". В первых двух классах основной школы (в 5, 6 классах), учащиеся знакомятся с основными естественнонаучными явлениями природы в рамках интегрированного курса "Естествознание". На втором этапе в 7-10 классе основной школы изучается систематический курс физики; на третьем этапе, в 11 и 12 классах дифференцированные курсы физики, в зависимости от профиля образования, выбранного учащимися и их родителями. Девятилетняя школа должна обеспечить изучение основ физики, что играет важную роль в развитии мышления, формировании научного мировоззрения учащихся.
Одним из важных средств развития научного мышления учащихся является использование в учебном процессе моделей и метода моделирования.
Многие авторы (Г.В. Быков, Б.А. Глинский, СЕ. Каменецкий, Н.А. Солодухин, и др.) модели условно разделяют на материальные и идеальные. В работах многих исследователей (К.Б. Батороев, Г, Клаус, В.А. Штофф и др.) понятие модели трактуется как система, заместитель оригинала, средство научного познания, модель характеризуется структурными свойствами и определенными отношениями.
Многие методисты (Б.Б. Буховцев, СВ. Громов, И.К. Кикоин, ВВ. Мултановский, М.Я. Мякишев, И.И. Нурминский, А.А. Пинский, А.В. Перышкин, Н.А. Родина, В.Г. Разумовский, Л.П. Свитков, А.А. Синявина, Л,С Хижнякова, Э.Е. Эвенчик и др.) исследовали проблему теоретических обобщений, сочетания системы научных знаний и методов научного познания, использование теоретических моделей в курсе физики средней школы. По их мнению, теоретические обобщения формируются при изучении курса физики на различных уровнях: понятия, закон, теория, физическая картина мира. Результаты этих исследований нашли отражение в новых учебниках физики для средней школы.
В работах отечественных психологов и дидактов (Л.С. Выготского, П.Я. Гальперина, ВВ. Давыдова, Л.Я. Зориной, 3. И. Калмыковой, В А. Крутецкого), отражены условия поэтапного формирования научных знаний, умственных действий, системности научных знаний, необходимых для развития. Преподавание физики по вариативным учебникам выявило противоречия, проявляющиеся, прежде всего на практике между: традиционным-сущностно ограниченным изучением курса физики первой ступени и современными требованиями системно-целостного его изложения; обязательностью межпредметных связей при изучении физики и химии и возможностью ее организации в связи с недостаточной разработанностью методики их реализации при изучении атома и атомного ядра; сложившимся местом изучения атома и атомного ядра (в конце курса физики) и значением этих понятий для изучения вопросов о заряде, электрическом токе в различных средах, магнитном поле, электромагнитных колебаний и волн;
Указанные противоречия определили актуальность проблемы исследования. Она состоит в том, чтобы привести в соответствие структуру, содержание учебного материала об атоме и атомном ядре, а также методы и средства обучения с современными требованиями, предъявляемыми к курсу физики основной школы.
Цель исследования. Определить, обосновать и реализовать принципы отбора учебного материала, методику изучения моделей атома и атомного ядра в курсе физики основной школы.
Объект исследования. Учебно-воспитательный процесс по физике основной школы.
Предметом исследования. Изучение теоретических моделей атома и атомного ядра в курсе физики основной школы.
Гипотеза исследования. Изучение моделей строения атома и атомного ядра в основной школе позволит сформировать понятие учащихся о физических моделях и моделировании как метода научного познания, если методика их изучения основывается на: межпредметных связях физики и химии в определении атома как микрочастицы, являющейся наименьшей частью химического элемента и носителем его свойств. поэтапной методике обучения с компонентами: элементарный электрический заряд, планетарная модель атома, элементы электронной теории, электрический ток, спектры, теория Бора, радиоактивность, нротонно- нейтронная и капельная модель ядра; физических теориях, включающих: опытные факты, физические модели, законы, теоретические положения, практические приложения, следствия, что позволяет методически реализовать преемственность в изучении моделей,
Проблема, цели, предмет и гипотеза определили следующие задачи исследования:
I Провести научно-методический анализ философской, психологической, методической и другой литературы по вопросам, связанным с классификацией моделей, этапами развития научного знания о строении атома и атомного ядра, анализом опытов изучения некоторых моделей атома и атомного ядра в основной и средней школах,
2.Выявить тенденции в реализации межпредметных связей физики и химии в условиях модернизации содержания образования учащихся основной школы.
Определить и обосновать принципы отбора содержания теоретических моделей атома и атомного ядра курса основной школы на основе межпредметных связей, частных физических теорий и поэтапном их изучении.
Разработать методику поэтапного изучения строения атома и атомного ядра в курсе физики основной школы.
5. Провести экспериментальную проверку выдвинутой гипотезы исследования.
Методы исследования.
Теоретические методы: анализ философской, психологической, педагогической, методической литературы по теме исследования; изучение содержания стандартов образования, учебных планов, программ, учебников; анализ организации процесса преподавания физики в практике работы школ; моделирование процесса обучения физике, направленного на освоение теоретических моделей атома и атомного ядра; анализ собственного опыта преподавания. Экспериментальные методы: педагогический эксперимент во всех его формах: констатирующий, поисковый, контролирующий, статистическая обработка данных педагогического эксперимента и обоснование выводов
Методологическую основу исследования составляют общенаучные методы познания, методология физики, методологические обобщения общей и частной дидактики, положения возрастной и педагогической психологии
Логика исследования включала следующие этапы: общее ознакомление с проблемой исследования; анализ педагогической и методологической литературы и рассмотрение психологического, педагогического методологического аспектов проблемы; исследование возможностей проведения занятий, позволяющих организовать деятельность учащихся по освоению метода моделирования, формирование целей и разработка гипотезы исследования; разработка содержательной модели деятельности по освоению метода моделирования; конструирование системы заданий для обучения учащихся методу моделирования; организация и проведение этапов педагогического эксперимента
Научная новизна исследования. определена и обоснована система учебного материала по формированию понятий атома и атомного ядра с компонентами; определение понятий, химическое действие тока и элементарный электрический заряд, планетарная модель атома, носители электрического заряда в металлах, модель атома Бора и объяснение на ее основе линейчатых спектров, протонно- нейтронная и капельная модели атомного ядра. разработана методика поэтапного изучения атома и атомного ядра в электродинамике и квантовой физике курса основной школы. создан факультативный курс для учащихся 9 класса "Из истории открытия атома, атомного ядра, индуцированного излучения", отражающий взаимосвязь развития техники, производства и достижений ядерной физики.
Теоретическая значимость. Обоснована принципы отбора содержания учебного материала, определяющие межпредметные связи физики и химии, построение курса на основе частных теорий и эксперимента, поэтапное изучение моделей, отражающие единство логического и исторического, единство системы научных знаний и методов познания; разработана соответствующая содержательная схема изучения моделей атома и атомного ядра в курсе физики основной школы.
Практическая значимость. Разработаны учебные материалы для курса физики основной школы, программы, учебные пособия по факультативному курсу "Из истории открытия атома, атомного ядра, индуцированного излучения" для учащихся девятых классов основной школы, а также методические рекомендации к нему.
На защиту выносятся; принципы отбора содержания материала об атоме и атомном ядре курса физики основной школы. содержательная схема изучения атома и атомного ядра, включающая строение атома, элементы электронной теории, дисперсию света и спектры, теорию Бора, строение атомного ядра. методика поэтапного изучения моделей атома и атомного ядра. содержание и методика проведения факультативных занятий по курсу: "Из истории открытия атома, атомного ядра, индуцированного излучения",
В качестве испытуемых выступали учащиеся 9-х классов средней общеобразовательной школы. Педагогический эксперимент проводился в средних школах г. Москвы: № 723, № 695, № 1935, лицея № 15 г. Химки, лицея № 1 пос. Львовский, Остафьевской школы Подольского района и школы №.1 пос. Запрудня Московской области. Общее количество учеников эксперимента 250 человек.
Результаты исследования апробировались и внедрялись: в процессе экспериментального преподавания, обсуждения учебных материалов на заседании кафедры методики преподавания физики в Московском педагогическом университете, на межвузовских конференциях, в частности: "Проблемы создания учебно-методического комплекта по физике" (МПУ, Москва, 1996 г.); " Проблемы конструирования содержания учебно- методического комплекта по физике" (МПУ, Москва, 1997 г.); " Взаимосвязь системы научных знаний и методов преподавания физики" (МПУ, Москва, 1998 г.); " Проблемы формирования теоретических обобщений и вариативных технологий обучения физике" (МПУ, Москва, 1999 г.);Lt Проблемы взаимосвязи системы научных знаний и методов познания в курсе физики двенадцатилетней школы" (МПУ, Москва, 2000 г.).
class1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ link1
Моделирование - метод научного познания
Слово "модель" происходит от латинского "modulus" (мера, такт, ритм, величина) и связано со словом "modus" (копия, образ). В.А. Штофф отмечает, что корни этого термина восходят к трудам Витрувия по строительному искусству; в эпоху средневековья понятие модель обозначало масштаб (половина диаметра колонны), в котором выражались все пропорции здания [147, 8-9]. В дальнейшем оно приняло значение образца, по которому что-то создается в искусстве. Так как образец обычно представлял уменьшенную копию предмета, похожий на объект во всем, кроме размеров Впоследствии понятием модели стали пользоваться в научных исследованиях, когда непосредственное изучение каких-либо явлений оказывалось невозможным или малоэффективным. В этом случае изучаемый объект заменяют другим, более простым и доступным для исследования и находящимся в некотором соответствии с оригиналом. Этот объект - заменитель называют моделью изучаемого объекта. Приведем некоторые определения понятия модель: " Под моделью понимается такая мысленно представляемая или материально реализованная система, которая, отображая или воспроизводя объект исследования, способна замешать его так, что ее изучение дает нам новую информацию об этом объекте" [147, 19]." Под моделью понимают отображение фактов, вещей и отношений определенной области знаний в виде более простой, более наглядной материальной структуры этой или другой области" [48, 262]" Модель, образ (в том числе условный или мысленный - изображение, описание, схема, чертеж, график, план, карта и т.д.) или прообраз (образец) какого-либо "объекта или системы объектов ("оригинала" данной модели), используемый при определенных условиях в качестве их "заместителя" или "представителя" [14].
В статье В.А. Штоффа "О роли моделей в квантовой механике 1 имеется такая формулировка: "...моделью... называется... наглядное представление о предмете, недоступном непосредственному созерцанию, образованное в сознании на основе аналогии с другими известными нам явлениями [73, 69].
Автор подчеркивает, что: "... существенными признаками модели как своеобразного способа отражения познания действительности являются: Наглядность, наличие известного отвлечения, т, е. элемента абстракции, наличие некоторого элемента научной фантазии, свойственной представлению, использование аналогии как логического метода построения, наличие элемента гипотетичности со всеми присущими научной гипотезе требованиями" [74, 92].
В литературе можно встретить точку зрения, согласно которой любое представление является моделью. Представление " не в психологическом, а гносеологическом, познавательном, смысле1 есть "модельное представление" [147, 63]. Для В. П. Бранского представление есть "семантические модели,,. дающие буквальное изображение объекта со стороны явления" [7, 109]. С другой стороны, некоторые авторы (А.А. Зиновьев и И.И. Резвин [38, 83] и Ю.А, Жданов [37, 64]) считают, что модели могут быть только вещественными и знаковыми. Представление не является ни вещественным предметом, ни знаковой системой, а потому, по существу, утверждается, что представление не может выступать в роли модели. Соответствие между моделью и моделируемым объектом может существовать на разных уровнях: На уровне совпадения отдельных элементов структуры модели и оригинала, на уровне совпадения некоторых их существенных характеристик, на уровне совпадения функциональной связи характеризующими их величинами, на уровне сходства отношений между элементами модели и элементами объекта изучения.
Таким образом, в названных случаях модель применяется либо для выполнения тех функций, которые должна была бы выполнять теория, либо для построения самой теории.
Можно продолжить перечень определений понятия "модель". Их различие связано с тем, что модели употребляются в различных областях научного знания и практической деятельности. Поэтому "моделью" называют и образец, и систему, и пособие и т. В понимании модели существует широкий "разброс" - от моделирующей установки до теории познания вообще.
Характеристика модели как заместителя оригинала кажется нам оправданной, чем определение ее как "квазиобъекта", употребляемое в одной из последних работ И.Б. Новикова [74, 92].
Во всех случаях употребления понятия "модель 1 можно выделить общие моменты [3, 140]: Модель представляет собой средство научного познания; модель всегда выступает как такой представитель оригинала, заместитель прототипа, который в каком-либо отношении более удобен для изучения, и можно перенести полученные знания на исходный объект; как модели, так и прототипы являются системой, характеризующейся существенными структурными свойствами и определенными отношениями; модели охватывают только те свойства прототипа, которые существенны в данной ситуации и которые являются объектом исследования, модели однозначно соответствуют оригиналу (это соответствие устанавливается внутри определенных промежутков времени). Модель существует не сама по себе, а в силу того, что она создается и используется исследователем как орудие его деятельности.
Одним из важнейших методов изучения физики является метод моделирования. Однако данному методу не уделяется достаточного внимания при обучении физике, что нередко приводит к отождествлению объекта к его модели [931.
Содержательная схема изучения атома и атомного ядра в курсе физики основной школы
Содержание и структура учебного материала о строении атома и атомного ядра представлена в форме методической модели. В ее структуру входят: научные знания, методы научного познания, структура учебного материала и его философская интерпретация. Она отражает все виды содержания, которые представляют собой определенные содержательные подсистемы.
Система учебного знания в содержании отечественных курсов физики представлена в основном научной теорией. Она отражает современные формы мышления, которые в свернутом виде воплощают элементы цикла познания [82].
Существуют различные классификации физических теорий. Так, В Гейзенберг [21] выделил четыре теории, которые в методике преподавания трактуются как фундаментальные: механика Ньютона, статистическая физика, электродинамика, квантовая физика. Каждая физическая теория, изучаемая в курсе, представляет не только систему научных знаний, но и метод изучения определенного круга физических явлений [17]. Кроме фундаментальных теорий в физике существуют частные теории, обладающие меньшей степенью общности, называемые B.C. Степиным "теоретическими схемами" или частными теориями [73]. Фундаментальные и частные теории являются прямым воплощением в содержании научно-теоретического способа мышления.
Теоретическое физическое мышление характеризуется охватом всей совокупности объектов и явлений, рамками физических теорий, установлением ее модельного характера и границ применимости. Подобная структура ориентирует познавательную деятельность учащихся на обобщения, важные для развития физического мышления, которое характеризуется высоким уровнем анализа и обобщения, глубоким осознанием связи физики и эксперимента [27, 70,79, 116].
Учебный материал атома и атомного ядра в курсе физики основной школы соответствуют частным теориям.
Основополагающим принципом отбора учебного материала послужило единство подсистемы научных знаний и методов познания, а также единство содержательной и процессуальной сторон обучения. Эти принципы конкретизированы к объекту исследования следующими положениями:
содержание учебного материала группируется вокруг физической модели (объекта) или нескольких моделей, при этом их содержание должно соответствовать современным представлениям физики. На основе принятой модели учебный материал раскрывает процесс выдвижения гипотезы и принятия идеи, которая мотивирована этой моделью.
Выбору моделей предшествует анализ опытных фактов и результатов наблюдений. Учебный материал завершается примерами объяснения явлений и их практическими приложениями.
На основе анализа литературы нами определены подсистемы содержательной схемы. Одна из них относится к электродинамике, другая - к элементам квантовой теории.
Вопросы о строении, движении, взаимодействии объектов микромира рассматриваются нами в нескольких темах курса: "Строение атома. Элементы электронной теории"; "Постоянный ток", "Токи в различных средах": Магнитное поле"; "Световые волны"; "Теория Бора"; "Строение атомного ядра". В основе изложения материала о строении атома лежит положение о дискретных уровнях энергии атома, делении атомного ядра, радиоактивности, постулатах Бора.
Исследование показало, что недостаточно разработаны темы курса физики основной школы, относящиеся к элементам классической электронной теории, теории Бора, строению атомного ядра [126].
Нами предлагается учебный материал этих тем изучать примерно по такой схеме: экспериментальные факты, физическая модель, свойства модели, выраженные с помощью физических величин (понятий), взаимосвязи между ними в форме законов или теоретических положений, соответствующие выводы и практические приложения. Теоретический материал взаимосвязан с методами научного исследования, в частности моделированием [105] и экспериментом [34].
Так, в теме "Строение атома. Элементы электронной теории" введены понятия об электрическом заряде, планетарной модели атома, проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Известные положения электронной теории изучаются в связи с анализом основных носителей электрического тока в металлических проводниках. В частности рассматривается, что движение электронов подчиняется законам классической механики; электроны друг с другом не взаимодействуют; электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, взаимодействие сводится только к соударениям; в промежутках между соударениями электроны движутся совершенно свободно; электроны проводимости образуют электронный газ, подобный идеальному газу.
Структура учебного материала
Факультатив предназначен для учащихся 9 классов. Цель данного факультативного курса состоит в том, чтобы познакомить учащихся с историей развития атомной физики, фундаментальными опытами, техническими установками исследователей, фрагментами работ классиков физики. Факультативный курс включает следующие темы: "Открытие электрона", "Экспериментальное определение заряда электрона", "Модель атома Резерфорда", "Модель атома Бора", "Лазеры".
Изучение темы "Открытие электрона" учащиеся начинают со схемы модели установки Томсона. Затем знакомятся с результатами его опытов, и методом. При закреплении данной темы учащиеся выполняют задания на определения; силы Лоренца, траекторий движения электрона в однородных электрических и магнитных полях, знака заряда частицы.
Учебный материал темы "Экспериментальное определение заряда электрона" включает: схему установки опыта Милликена, результаты его опытов. Учащимся предлагается выполнить задания на расчет направления и величины скорости электрона, его заряда, радиуса кривизны.
При изучении темы "Модель атома Резерфорда" учащиеся знакомятся с моделью установки по рассеянию а - частиц, описанием наблюдений опытов Резерфордом. Для закрепления темы учащиеся выполняют задания на подсчет силы кулоновского притяжения между электроном и атомным ядром в атоме водорода, на сравнения сил кулоновского и гравитационного притяжения между протоном и атомным ядром в атоме водорода.
Изучение темы "Модель атома Бора", опирается на статьи Бора о модели атома Резерфорда, его идеи относительно модели атома. Теория Бора имеет эвристическое значение. Когда она не может дать количественного объяснения явлениям внутри атома, теория может быть использована для качественной их интерпретации. В данной теме такая интерпретация дана индуцированному излучению, которое лежит в основе современных средств связи, радиофизики и радиотехники. В качестве закрепления темы учащиеся рассчитывают работу, затраченную на вырывание электрона из атома, находящегося в стационарном состоянии при известной энергии ионизации, а также указывают причины необходимости введения постулатов Бором.
Тему "Лазеры7 учащиеся начинают изучать с анализ спонтанного излучения атома. Затем вводится понятие индуцированного излучения. При спонтанном излучении каждый атом начинает и заканчивает излучение независимо от других, Однако, возможно излучение фотонов возбужденными атомами под действием падающего на него излучения с частотой, равной собственной частоте перехода. Такое излучение является индуцированным. Создание в веществе инверсной населенности уровней анализируется с помощью диаграммы на примере первого лазера оптического диапазона -рубинового. Таким образом, лазер рассматривается как пример практического применения квантовой теории в науке, технике и медицине.
Изучение моделей имеет примерно одинаковую схему: анализ опытов, используя материальные модели схемы установок, создание теоретической модели; объяснение физических явлений с помощью этих моделей.
Учащиеся убеждаются в том, что уровень развития техники и производства определяют достижения ядерной физики [1].
Ниже предлагается программа факультативного курса, рассчитанная на 10 часов.
1. Открытие электрона (2 ч.) Установка Томсона. Результаты опытов Томсона Метод Томсона. Интерпретация метода Томсона.
2. Экспериментальное определение заряда электрона (2 ч.). Установка Милликена. Опыт Милликена. Результаты опыта Милликена. Определение силы тяжести, действующей на каплю. Определение заряда капли.
3. Модель атома Резерфорда (2 ч.). Схема установки по рассеянию альфа частиц. Описание наблюдений опытов Резерфордом. Модель атома Резерфорда.
4. Модель атома Бора (2 ч). Отзыв Бора о модели строения атома Резерфорда, Идея Бора к модели атома Резерфорда.
5. Индуцированное излучение. Лазер (2 ч.).
