Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния проблемы обучения электродинамике в средней школе25
1.1. Методология и приложения науки в образовательной концепции XXI века . 25
1.2.Направления обновления школьного физического образования на современном этапе. 34
1.3. Фундаментальная и прикладная направленность в структуре школьного курса физики 43
Глава 2. Теоретические основы концепции формирования методической системы обучения электродинамике учащихся средней школы 53
2.1. Психолого-педагогические факторы влияния изучения методологии и приложений физики на развитие интеллектуальных способностей компетентностей учащихся . 53
2.2.Концепция формирования методической обучения электродинамике учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний. 72
Глава 3. Модель методической системы обучения электродинамике Учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний 98
3.1. Описание модели методической системы обучения электродинамике 98
3.2. Реализация модели методической системы обучения электродинамике при формировании теоретических, методологических и прикладных знаний по темам112
Глава 4. Методики изучения тем электродинамики в школьном курсе физики123
4.1. Методика изучения фундаментальных и прикладных вопросов электростатики 123
4.2.Методика изучения фундаментальных и прикладных вопросов магнетизма. 136
4.3. Методика изучения классической электронной теории, законов постоянного тока и элементов электротехники . 145
4.4. Методика изучения электромагнитной индукции, системы уравнений Максвелла . 156
4.5. Методика изучения методологических и прикладных вопросов электромагнитных колебаний и волн . 165
Глава 5. Концепт-содержание электродинамики в школьном курсе физики 191
5.1. Электростатика. Третье уравнение Максвелла 191
5.2. Магнетизм. Четвертое и начало второго уравнения Максвелла 222
5.3. Классическая электронная теория. Постоянный электрический ток
5.4. Электромагнитная индукция. Электромагнитное поле. Уравнения 240 Максвелла 290
5.5. Электромагнитные колебания и волны . 308
Глава 6. Экспериментальное обоснование и проверка результативности методической системы обучения электродинамике учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний 381
6.1. Цели и задачи педагогической диагностики. Диагностический аппарат и методика эксперимента 381
6.2. Этапы, задачи, структура и организация экспериментального исследования. 391
6.3. Результаты педагогического эксперимента 397
6.4. Анализ результатов педагогического эксперимента . 416
Заключение 426
Литература 432
Приложение 456
- Направления обновления школьного физического образования на современном этапе
- Концепция формирования методической обучения электродинамике учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний
- Реализация модели методической системы обучения электродинамике при формировании теоретических, методологических и прикладных знаний по темам
- Методика изучения фундаментальных и прикладных вопросов магнетизма
Введение к работе
Актуальность исследования
Национальная доктрина образования в Российской Федерации акцентирует внимание на необходимости подготовки высокообразованных людей и высококвалифицированных специалистов, способных к самообразованию, профессиональному росту и профессиональной мобильности в условиях развития новых наукоемких технологий, что в свою очередь обеспечивается организацией учебного процесса с учетом современных достижений науки, систематическим обновлением всех аспектов образования, отражающего изменения в сфере культуры, экономики, науки, техники и технологии, интеграцией науки, образования и производства, вариативностью образовательных программ.
Международные исследования выявили несоответствие уровня естественнонаучной грамотности российских учащихся основным требованиям, принятым в мире в области школьного естественнонаучного образования. В понятие естественнонаучной грамотности наряду с понятиями «контекст», «знания», «отношения» входят как составляющая часть компетентности. Развитие теории и методики обучения физике в школе в связи с этим должно отвечать требованиям переориентации обучения физике на использование знаний в реальных жизненных ситуациях, отличающихся от учебных, достижения целей формирования и развития компетентностей учащихся в процессе обучения физике.
Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования указывает, что предметные результаты обучения физике должны отражать: понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; владение основополагающими физическими понятиями, закономерностями, законами и теориями; владение основными методами научного познания, используемыми в физике; сформированность умений применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе и принятия практических решений в повседневной жизни.
Результаты исследований, посвященных проблемам фундаментальной и прикладной направленности обучения физике в средней школе, содержатся в работах Г. М. Голина, В. Ф. Ефименко, С. Е. Каменецкого, Н. С. Пурышевой, Ю. А. Саурова и других, и не перестают быть актуальными. В этих работах представлены результаты исследования проблем теоретической и методологической составляющих в методике обучения физике, исследована роль и значение практической направленности школьного физического образования. Однако дополнительного исследования требуют вопросы взаимосвязи, синтеза фундаментальных и прикладных знаний и создания методической системы обучения физике в средней школе, основанной на этом подходе.
В докторской диссертации С. Е. Каменецкого 1978 г. «Проблемы изучения основ электродинамики в курсе физики средней школы» решаются проблемы повышения научности обучения на основе представлений о центральном месте понятия электромагнитного поля. В этом труде впервые предложен математический аппарат, доступный учащимся средней школы, для записи уравнений Максвелла. В 80-х годах прошлого столетия в развитие этих идей была выполнена кандидатская диссертация Л. М. Артюшкиной (1983), посвященная формированию понятия электромагнитного поля в разделе «Электродинамика» курса физики средней школы, Ю. Пулатова (1984), посвященная совершенствованию знаний учащихся по электродинамике с помощью упражнений на основе демонстрационного эксперимента, Л. И. Косаренковой (1983), посвященная изучению вихревого электромагнитного поля в 9 классе средней школы, Л.А.Бордонской и др.,
В диссертационных исследованиях последних лет, посвященных вопросам обучения электродинамике в средней школе, рассмотрены достаточно актуальные и важные аспекты совершенствованию теории и методики обучения, в частности, работа Е. А. Дьяковой (2003), в которой на примере раздела «Электродинамика» (в скобках заметим – отдельных тем), рассматривается проблема обобщения знаний учащихся по физике в старших классах средней школы. Работы, в которых исследуется методика обучения отдельным темам, например, кандидатская диссертация А. Ф. Шиян (1995), посвященная повышению эффективности преподавания электродинамики в курсе физики на основе применения формализованных методов расчета электрических цепей, Б. М. Штейна (2003), посвященная методике изучения электромагнитной индукции в школе. Ряд кандидатских диссертаций – О. В. Куликовой (2001), С. П. Жакина (2004), М. А. Протасовой (2004), А. Е. Чиркова (2006), Р. А. Матвеева (2008) посвящены методике учебного физического эксперимента, теоретическим методам введения понятий и взаимосвязи теоретических и эмпирических методов исследования при изучении электродинамики в основной школе, а также системе моделей электродинамики в основной школе и структуре построения раздела для достижения эффективного усвоения знаний. Труд В. В. Майера и Р. В. Майера «Электричество: учебные экспериментальные доказательства» в целом посвящен проблеме формирования у учащихся системы эмпирических знаний по электродинамике. Однако, докторских диссертаций за последние 10 лет, рассматривающих теорию и методику обучения электродинамике как целостную систему выстроенную с учетом генерализации материала раздела (В. Г. Разумовский), направленную на учет взаимосвязи, взаимовлияния (синтеза) фундаментальных и прикладных знаний, конечным результатом которой является развитие компетентностей и интеллектуальных способностей учащихся нами не обнаружено.
Констатирующий этап эксперимента ставил своей целью выяснить, насколько традиционные методы обучения электродинамике в школе формируют представления школьников о методах научного познания, их применении в обучении электродинамике и применении ее законов в области прикладных наук. Констатирующий этап эксперимента показал, что подавляющее большинство учителей физики средних школ не ставят целью формирование таких компонентов учебно-познавательной деятельности, как методологический и прикладной компонент, а ограничиваются стремлением к тому, чтобы школьники овладели, в основном, когнитивным компонентом учебно-познавательной деятельности.
Обобщение результатов исследований, приведенных в диссертациях и научной литературе, анализ подготовки школьников по физике в России и за рубежом, анализ социального заказа общества на выпускников с высоким уровнем компетентности и развитым интеллектом, результаты констатирующего этапа эксперимента позволили выявить следующие противоречия:
между социальной востребованностью обществом выпускников средних школ с высоким уровнем компетентностей и интеллектуальных способностей, позволяющих продуктивно освоить теоретические основы электродинамики и ее приложения в школе и существующим недостаточным уровнем подготовки основной части выпускников школ к практической реализации данного требования;
между необходимостью формировать у школьников учебно-познавательную компетентность, состоящую из теоретического, методологического и прикладного компонентов при изучении раздела «Электродинамика» школьного курса физики, и отсутствием соответствующей методической системы, направленной на решение этой проблемы.
Необходимость разрешения указанных противоречий обусловливает актуальность исследования, проблемой которого является поиск ответа на вопрос: какой должна быть методическая система обучения электродинамике в средней школе, чтобы у учащихся формировался высокий уровень учебно-познавательной компетентностей и интеллектуальных способностей.
Вышеизложенное определило актуальность данного исследования и позволило сформулировать тему диссертационного исследования: «Методическая система обучения электродинамике учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний».
Объектом исследования является процесс обучения физике в средней школе.
Предметом исследования является методическая система обучения электродинамике учащихся средней школы, построенная на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний.
Целью исследования является теоретическое обоснование, разработка и реализация концепции методической системы обучения электродинамике в школе, в основе которой лежит синтез фундаментальных и прикладных знаний.
Гипотеза исследования в соответствии с объектом и предметом исследования формулируется следующим образом: обучение электродинамике в старших классах средней школы обеспечит более высокий уровень предметной подготовки, развитие интеллектуальных способностей и учебно-познавательной компетентности школьников, состоящей из теоретического, методологического и прикладного компонентов если:
методическая система обучения электродинамике в средней школе будет разработана на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний;
содержание электродинамики будет основано на дидактических блоках «теория–методология–приложения»;
комплекс обучающих и контрольно-измерительных средств, адекватных поставленным задачам развития учебно-познавательной компетентности и интеллектуальных способностей учащихся разработать и внедрить.
Задачи исследования.
-
Выявить состояние проблемы обучения электродинамике в средней школе на современном этапе модернизации Российского образования.
-
Разработать концепцию методической системы на основе триады «теория-методология-приложения в области современных достижений электродинамики».
-
На основании выдвинутой концепции, выделенных подходов и принципов построить модель методической системы обучения электродинамике в средней школе, обеспечивающую возможности повышения учебно-познавательной компетентности и интеллектуальных способностей учащихся средней школы.
-
Рассмотреть структуру учебно-познавательной компетентности и интеллектуальных способностей учащихся средней школы, формируемых в результате применения авторской методической системы.
-
На основе разработанной модели создать систему методик обучения различным темам электродинамики и реализовать их на практике обучения школьников в ряде экспериментальных школ.
-
Провести опытно-экспериментальное исследование, направленное на проверку гипотезы, положений, выносимых на защиту и позволяющее экспериментально проверить эффективность методической системы обучения электродинамике в средней школе.
-
Проанализировать на качественном и количественном уровне достигнутые результаты, обобщить полученные результаты и сделать выводы по работе.
Теоретические основы исследования:
-
философские исследования, посвященные методологии и методологическим знаниям (А. Г. Спиркин, Г. П. Щедровицкий Э. Г. Юдин, М. Г. Ярошевский и др.);
-
психолого-педагогические работы по вопросам общего развития в процессе обучения (Л. С. Выготский, П. Я. Гальперин, В. Н. Дружинин, А. В. Захарова, И. С. Кон, С. Л. Рубинштейн, Д. И. Фельдштейн, М. А. Холодная и др.);
-
исследования по теории и методике обучения физике, посвященные вопросам системности знаний учащихся, генерализации, формированию методологических знаний, компетентностному подходу в процессе обучения физике (Н. Е. Важеевская, Г. М. Голин, В. Ф. Ефименко, И. А Зимняя, Л. Я. Зорина, С. Е. Каменецкий, В. В. Майер, В. Н. Мощанский, В. В. Мултановский, Н. С. Пурышева, В. Г. Разумовский, Ю. А. Сауров, А. В. Усова, А. В. Хуторской, Н. В. Шаронова, А. А. Червова и др.).
Методологические основы исследования:
-
методология методики обучения физике как педагогической науки, представляющая собой систему знаний о теории и практике обучения физике – о научных основах содержания и структуре школьного курса физики, принципах, подходах и способах добывания знаний, об организации познавательной деятельности учащихся, систему знаний о теории и практике воспитания и развития учащихся в процессе обучения физике – создание условий для совершенствования возможностей учащегося за счет обогащения его опыта на основе индивидуализации учебного процесса, методология процессов исследования развития интеллектуальных способностей и компетентностей школьников;
-
методология физики как система принципов и способов организации и построения теоретической и практической деятельности по исследованию в области физики, а также учение об этой системе;
-
методология педагогики как система знаний об основаниях, логической структуре и функциях педагогического знания и учение о методах педагогического познания (методология в узком смысле слова).
Для решения поставленных задач нами использовались следующие методы исследования.
Теоретические методы:
анализ философской, психолого-педагогической, методической литературы и диссертационных исследований по вопросам методологии научного познания, по вопросам формирования знаний с учетом возрастной психологии старшеклассников, по вопросам формирования и развития общих способностей школьников, по общим вопросам дидактики, по вопросам теории и методики обучения физике;
анализ нормативных и программных правительственных и отраслевых документов, в которых обозначены направления модернизации образования;
анализ требований государственного образовательного стандарта, примерных программ обучения физике, авторских программ и учебников по физике для средней школы.
Экспериментальные методы:
педагогический эксперимент по внедрению в практику обучения электродинамике разработанного содержания и методики обучения на основе изучения методов познания и приложений;
педагогический мониторинг формирования фундаментальных и прикладных знаний учащихся, качества обученности учащихся, их интеллектуального развития и формирования компетентностей на основе педагогических измерений с использованием разработанных новых, а также известных тестов и анкет;
анализ опыта обучения в различных образовательных учреждениях, обобщение опыта учителей физики, использующих идеи, заложенные в данном исследовании;
математические методы обработки и анализа результатов эксперимента.
Экспериментальной базой исследования были лицеи №№ 82,38,87, г. Н. Новгорода, гимназия №80, школы №№ 27, 85, 176 г. Н. Новгорода, школа №20 г. Мурома, лицей №26 г. Саранска (Мордовия), школа №3 г. Ядрин (Чувашия),
Методика и концепт-содержание раздела «Электродинамика» внедрены в образовательный процесс гимназии №80, лицеев №82, 87, школы №176 г. Н. Новгорода, школы №20 г. Мурома, о чём имеются акты о внедрении.
Результаты исследования в виде двух учебных пособий «Научные основы обучения электродинамике в школьном курсе физики» и «Прикладные вопросы электродинамики в школьном курсе физики» апробированы при обучении студентов факультета математики, информатики и физики Нижегородского педагогического университета.
Основные этапы и организация исследования.
Исследование проводилось с 1993 по 2013 год и включало три этапа.
На первом этапе (1993– 2002 год) был проведен анализ философской, психолого-педагогической и методической литературы, учебной литературы для школьников и нормативных документов. Разработаны гипотеза, поставлена цель и обозначены задачи исследования. В 2003 году была защищена кандидатская диссертация по теме «Формирование методологических и прикладных знаний учащихся в процессе изучения электродинамики в курсе физики средней школы». Определены основная идея синтеза фундаментальных и прикладных знаний для методической системы обучения электродинамике в средней школе для повышения эффективности обучения физике и развития школьников.
Второй этап (2003–2007 год) был посвящен анализу путей совершенствования обучения физике в средней школе, разработке концепции методической системы обучения электродинамике в средней школе на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний, уточнена гипотеза исследования. Был организован и поставлен констатирующий эксперимент, выявивший противоречия, определившие научную проблему. На этом этапе разработано полное содержание и методы обучения электродинамике на основе разработанной концепции. Результаты были отражены в виде двух учебных пособий по научным основам обучения физике и прикладным вопросам в курсе школьной физики.
На третьем этапе (2008–2013 год) осуществлялась проверка результативности разработанной модели методической системы обучения электродинамике в средней школе на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний. Был проведен итоговый педагогический эксперимент на экспериментальных площадках средних школ и педвуза, формулировались выводы, осуществлялось обобщение и оформление полученных результатов исследования. Результаты были отражены в виде двух монографий по теории и методике обучения электродинамике.
Научная новизна исследования состоит в следующем.
-
В представлении понятийно-категориального аппарата, который вводит и расширяет терминологическое пространство исследования, содержащий как общенаучные понятия (компетенции, компетентность, интеллектуальные способности, методология познания), так и специфические, присущие физике как науке (теории, модели, графические интерпретации, приложения электродинамики в современной технике) и т.д.
-
Во включении в состав компетентностей учебно-познавательной компетентности, состоящей из теоретического, методологического, прикладного компонентов, формируемых у школьников в процессе обучения электродинамике в русле авторской методической системы:
теоретический компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения физическими теориями, законами, понятиями;
методологический компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения общими законами методологии познания;
прикладной компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения приложениями электродинамики в различных областях современной техники.
Выделены параметры, характеризующие уровни интеллектуального развития и структуры интеллекта школьников, такие как:
коэффициент интеллекта IQ;
структура интеллекта.
-
В расширении подходов к обучению электродинамике в средней школе, а именно, в интеграции теоретического и прикладного материала на основе триады «теория – методология – приложения», в результате формируется учебно-познавательная компетентность школьников, состоящая из теоретического, методологического, прикладного компонентов.
-
В формулировке авторской концепции методической системы обучения электродинамике в средней школе, разработанной на основе компетентностного подхода и выстроенной как структура, описывающая идеи, цели, базовые принципы, отобранное содержание, формы, методы и средства организации учебного процесса в средней школе при обучении электродинамике:
выделена система принципов формирования методической системы;
в принципе цикличности в обучении (В. Г. Разумовский): факты – гипотеза – следствие – эксперимент (четыре фазы) определено место методов познания и приложений физики для формирования фундаментальных и прикладных знаний;
введен принцип двухъядерной структуры раздела «Электродинамика» (авторский): одним ядром является теория электромагнитного поля Максвелла, с включением математической модели – уравнений Максвелла, другим ядром – классическая электронная теория Лоренца-Друде; каждое ядро обеспечивает выполнение принципа генерализации;
введен принцип модульной архитектуры раздела (авторский), основанный на дидактических блоках «теория – методология – приложения»;
определены подходы: компетентностный, системный, деятельностный и интегративный;
обучение электродинамике происходит на основе интеграции общенаучных методов познания и специфических методов физики;
обучение школьников на основе модульной структуры электродинамики, в основу модулей положены дидактические блоки «теория-методология-приложения»;
использование демонстрационного и исследовательского экспериментов, наглядно подтверждающих идею единства теоретического, методологического и прикладного подходов в обучении электродинамике;
генерализация учебного материала раздела «Электродинамика», средствами математической формулировки уравнений Максвелла, представляющих собой теоретическое ядро электродинамики.
Ядро концепции составляет ведущая идея исследования, заключающаяся в представлении о том, что обучение электродинамике в средней школе должно основываться на триаде – «теория – методология – приложения, что приведет к синтезу фундаментальных и прикладных знаний учащихся.
-
В построении модели методической системы обучения электродинамике учащихся в школе, состоящей из следующих компонентов:
мотивационно-целевой компонент – обеспечение высокого качества обучения, формирования учебно-познавательной компетентности и развития интеллектуальных способностей школьников;
структурно-содержательный компонент – концепт-содержание электродинамики в школьном курсе физики;
процессуально-деятельностный компонент – лекции, практические занятия, семинары, демонстрационный и исследовательский эксперимент, самостоятельная работа школьников;
оценочно-результативный компонент - система контрольных заданий, предметных заданий и психологических тестов для проверки сформированности учебно-познавательной компетенции, для оценки развития интеллекта школьников в процессе обучения на основе авторской модели методической системы обучения.
-
В разработке концепт-содержания раздела «Электродинамика» курса физики старших классов в соответствии с авторской концепцией. Концепт-содержание включает не только структуру и логические связи тем раздела, оно представляет собой прототип учебного материала для учащихся и учителей, предназначенный для демонстрации предлагаемых идей и подходов в содержании, то есть отвечает не только на вопрос «чему обучать?», но и на вопрос «что знать?». Поэтому концепт-содержание выделяется в методической системе обучения электродинамике в нашем исследовании.
-
В обобщении комплекса методов и средств обучения, который включает:
методы изучения теоретических, методологических и прикладных вопросов электродинамики, обеспечивающие формирование учебно-познавательной компетентности, состоящей из теоретической, методологической и прикладной компонент и повышают интеллектуальные способности учащихся;
систему демонстрационных и исследовательских экспериментов для формирования наглядных представлений об изучаемых физических явлениях и процессах;
учебную программу по разделу «Электродинамика», разработанную на основании базовых принципов модели.
-
В выделении комплекса методов диагностики результатов обучения, который включает:
предметное тестирование по электродинамике с помощью задач открытого и закрытого типа;
психолого-педагогические измерения – тестирование свойств личности: тестирование мотивационной сферы, измерение IQ по Г. Айзенку, тестирование структуры интеллекта по Р. Амтхауэру.
тестирование учащихся для определения уровня сформированных компетентностей и их компонентов с помощью специальных авторских обучающих тестовых заданий (текстов);
система контрольных заданий, предметных тестовых заданий и психологических тестов для проверки сформированности фундаментальных и прикладных знаний, для оценки развития интеллекта и компетентностей школьников в процессе обучения на основе авторской модели методической системы обучения.
-
В разработке системы учебных и методических пособий для учителей и студентов педагогических вузов – будущих учителей физики, обеспечивающих их подготовку для обучения физике в школе на основе авторской концепции и модели.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что его результаты вносят определенный вклад в развитие теоретических основ методики обучения физике учащихся средней школы, за счет:
теоретического обоснования и разработки концепции методической системы обучения электродинамике в средней школе на основе триады – «теория – методология – приложения», что приводит к синтезу фундаментальных и прикладных знаний и формированию у учащихся учебно-познавательной компетентностей с тремя компонентами;
уточнения содержания и сущности трех компонентов учебно-познавательной компетентности, таких как теоретический, методологический и прикладной, формируемых у школьников в процессе обучения электродинамике в русле авторской концепции и разработанной методической системы:
теоретический компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения физическими теориями, законами, понятиями;
методологический компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения общими законами методологии познания;
прикладной компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения приложениями электродинамики в различных областях современной техники;
доказательства того, что формирование этих компонент учебно-познавательной компетентности приводит к увеличению такой интегративной характеристики, как интеллектуальные способности учащихся, под которыми будем понимать способности к быстрому и правильному решению задач, определяемые с учетом образовательных факторов;
обобщения принципов отбора содержания раздела «Электродинамика», предусматривающие кроме освоения теоретического базиса – системы понятий, гипотез и законов освоение методологических основ: методов, моделей, принципов и т.д., а также таких приложений, которые раскрывают суть этого базиса. С учетом этих оснований предложено концепт-содержание школьной электродинамики, имеющее модульную структуру на основе дидактических блоков «теория – методология – приложения».
Практическая значимость исследования представлена следующим.
-
Разработанной методической системой обучения электродинамике в средней школе, которая вносит существенный вклад в обучение школьников в русле повышения качества физического образования в средней школе, формирует учебно-познавательную компетентность и интеллектуальные способности школьников.
-
Предложенной структурой раздела «Электродинамика», базирующейся на двух теориях классической электродинамики – теории электромагнитного поля, описываемой системой уравнений Максвелла и классической электронной теории, при которой преодолеваются слабости традиционной структуры содержания и обслуживающей его методики, связанных с относительной самостоятельностью (разрозненностью) отдельных тем раздела, не имеющего общего теоретического ядра.
-
Внедренным авторским учебно-методическим комплексом, состоящим из:
авторской программы по разделу «Электродинамика» школьного курса физики;
методических рекомендаций по некоторым разделам экспериментальных основ школьного курса физики по дисциплине «Теория и методика обучения физике» для студентов;
учебного пособия «Научные основы обучения электродинамике в школьном курсе физики» для студентов и учителей физики;
учебного пособия «Прикладные вопросы электродинамики в школьном курсе физики» для студентов, учителей физики и школьников;
двух монографий «Электродинамика в современной школе: основы теории и методики обучения» и «Концепт-содержание электродинамики в современной школе: теория, методология и приложения» для студентов, методистов и учителей физики;
обучающих текстов для проверки развития трех компонентов учебно-познавательной компетентности учащихся.
Внедрение созданных учебно-методических материалов и дидактических средств позволяет организовать процесс обучения электродинамике в школе так, чтобы учащиеся овладели теоретической, методологической и прикладной составляющими учебно-познавательной компетентности.
Апробация и внедрение результатов исследования.
Результаты исследования апробированы в ходе работы с учителями школ, при чтении лекций и в процессе проведения практических занятий по теории и методике обучения физике со студентами и магистрантами факультета математики, информатики и физики ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный педагогический университет», ФГБОУ ВПО «Шуйский государственный педагогический университет» (до января 2013 года) и ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный университет», Шуйский филиал (после января 2013 года) при проектировании и анализе уроков в ходе руководства педагогической практикой студентов и научно-педагогической практикой магистрантов, в процессе руководства курсовыми и дипломными работами студентов.
Результаты исследования отражены в публикациях и выступлениях на конференциях различного уровня:
международных – г. Н. Новгород, 2003, 2004, 2005 гг. («Высокие технологии в педагогическом процессе»); г. Москва, МПГУ, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011, 2013 гг. («Физическое образование: проблемы и перспективы развития»), г. Москва, 2013г. XII Международная научно-методическая конференция «Физическое образование: проблемы и перспективы развития», посвященная 90-летию со дня рождения С.Е. Каменецкого, Волгоград 2011г, («Современный физический практикум»); Петрозаводск, 2013г. («Физика в системе современного образования» ФССО-2013); Шуя-Москва, 2013, VI международная конференция «Шуйская сессия студентов, аспирантов, молодых ученых»;
всероссийских – г. Челябинск, 2003г. («Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов»), г. Н. Новгород, 2003г. («Актуальные вопросы развития образования и производства»), г. Ульяновск, 2003, 2004гг. («Формирование учебных умений в процессе реализации стандартов образования»), г. Н. Новгород, 2004г. («Обучение физике в школе и вузе в условиях модернизации системы образования»), г. Киров, 2004г. («Модели и моделирование в методике обучения физике»), г. Н. Новгород, ННГУ, 2011, 2013гг. («Роль инновационных университетов в реализации Национальной Образовательной инициативы «Наша новая школа»);
Результаты исследования в виде двух учебных пособий «Научные основы обучения электродинамике в школьном курсе физики» и «Прикладные вопросы электродинамики в школьном курсе физики» апробированы при обучении студентов факультета математики, информатики и физики Нижегородского педагогического университета и при обучении учащихся лицеев №№ 82,38,87, гимназии №80, школ №№ 27, 85, 117 г. Н. Новгорода, школы №20 г. Мурома, лицея №26 г. Саранска (Мордовия), школы №3 г. Ядрин (Чувашия).
Методика и концепт-содержание раздела «Электродинамика» внедрены в образовательный процесс школ: гимназии №80, лицея №82, 87, школы №176 г. Н. Новгорода, школы №20 г. Мурома, о чём имеются акты о внедрении.
Достоверность и обоснованность результатов и научных выводов обеспечиваются использованием в ходе исследования современных достижений педагогики, психологии, философии, теории и методики обучения физике, применением комплекса методов, адекватных поставленным задачам, результатами педагогического эксперимента, подтвердившего на качественном и количественном уровнях справедливость выдвинутой гипотезы и положений, выносимых на защиту.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Введенный в теорию и практику понятийно-категориальный аппарат, который расширяет терминологическое пространство исследования, содержащее как общенаучные понятия (компетентность, интеллектуальные способности, методология познания), так и специфические, присущие физике как науке (теории, модели, графические интерпретации, приложения электродинамики в технике).
В состав компетентностей, следует включить учебно-познавательную компетентность, состоящую из теоретического, методологического, прикладного компонентов, формируемых у школьников в процессе обучения электродинамике в русле авторской методической системы:
теоретический компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения физическими теориями, законами, понятиями;
методологический компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения общими законами методологии познания;
прикладной компонент учебно-познавательной компетентности характеризует уровень овладения приложениями электродинамики в различных областях современной техники.
Следует выделить параметры, характеризующие уровни интеллектуального развития и структуры интеллекта школьников, такие как:
коэффициент интеллекта IQ;
структура интеллекта.
-
Концепцию методической системы обучения электродинамике в средней школе целесообразно разработать средствами интеграции теоретического, методологического и прикладного материала на основе триады «теория – методология – приложения», в результате формируется учебно-познавательная компетентность школьников, состоящая из теоретического, методологического, прикладного компонентов.
Принципы формирования методической системы:
принцип цикличности в обучении (В. Г. Разумовский): факты – гипотеза – следствие – эксперимент (четыре фазы); в этом принципе определяется место методов познания и приложений физики для формирования фундаментальных и прикладных знаний;
принцип двухъядерной структуры раздела «Электродинамика» (авторский): одним ядром является теория электромагнитного поля Максвелла, с включением математической модели – уравнений Максвелла, другим ядром – классическая электронная теория Лоренца-Друде; каждое ядро обеспечивает выполнение принципа генерализации;
принцип модульной архитектуры раздела (авторский), основанный на дидактических блоках «теория – методология – приложения».
Подходы: компетентностный, системный, деятельностный и интегративный.
Обучение электродинамике на основе общенаучных методов познания и специфических методов физики:
обучение школьников на основе модульной структуры электродинамики, в основу модулей положены дидактические блоки «теория-методология-приложения»;
использование демонстрационного и исследовательского экспериментов, наглядно подтверждающих идею единства теоретического, методологического и прикладного подходов в обучении электродинамике;
генерализация учебного материала раздела «Электродинамика», средствами математической формулировки уравнений Максвелла, представляющих собой теоретическое ядро электродинамики.
Ядро концепции составляет ведущая идея исследования, которая заключается в представлении о том, что обучение электродинамике в средней школе должно основываться на триаде «теория-методология – приложения», что приведет к синтезу фундаментальных и прикладных знаний.
-
Содержание модели методической системы обучения электродинамике в средней школе следует рассматривать как идеальный объект, который описывает деятельность (учебную, познавательную, развивающую, диагностическую, контрольную) участников учебного процесса (ученика и педагога) по достижению педагогических целей, а также описывает базовые принципы обучения электродинамике, структуру раздела и теоретические основания и позволяет провести исследование процесса и результата внедрения методической системы в реальный учебный процесс.
Модель включает следующие компоненты:
мотивационно-целевой компонент – обеспечение высокого качества обучения, развития интеллектуальных способностей и компетентностей школьников;
структурно-содержательный компонент – концепт-содержание электродинамики в школьном курсе физики;
процессуально-деятельностный компонент – лекции, практические занятия, семинары, демонстрационный и исследовательский эксперимент, самостоятельная работа школьников;
оценочно-результативный компонент - система контрольных заданий, предметных заданий и психологических тестов для проверки сформированности фундаментальных и прикладных знаний, для оценки развития интеллекта и компетентней школьников в процессе обучения на основе авторской модели методической системы обучения.
Ведущим компонентом модели методической системы обучения электродинамике в средней школе следует считать дидактические блоки «теория – методология – приложения».
-
Построенная на основе триады «теория – методология – приложения» методическая система обучения электродинамике в средней школе позволяет обеспечить высокий уровень учебно-познавательной компетентности, развитие интеллектуальных способностей школьников.
-
В методическую систему включено концепт-содержание раздела «Электродинамика» курса физики старших классов в соответствии с авторской концепцией. Концепт-содержание отражает не только структуру и логические связи тем раздела, оно представляет собой прототип учебного материала для учащихся и учителей, предназначенный для демонстрации предлагаемых идей и подходов в содержании, то есть отвечает не только на вопрос «чему обучать?», но и на вопрос «что знать?». Поэтому концепт-содержание выделяется в методической системе обучения электродинамике в нашем исследовании.
-
Следует разработать инструментально-методическое обеспечение мониторинга образовательных ресурсов раздела «Электродинамика» школьного курса физики, позволяющее оценить качество подготовки учащихся по этому разделу и динамику роста уровня их компетентностей и интеллектуальных способностей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка и приложения. Содержит: 9 таблиц, 117 рисунков, диаграмм и схем. Основной текст на 455 страницах.
Направления обновления школьного физического образования на современном этапе
На современном этапе (в работах после 2000 года) можно выделить три основных направления обновления школьного физического образования, достаточно проработанных в исследованиях методистов: 1. Обновление на основе гуманитаризации физического образования, взаимосвязи культуры и науки. Гуманитаризация обучения физике, в нашем понимании, — это процесс и результат внедрения в содержание, теорию и методику физического образования объектов, идей, ценностей, проблем, имеющих универсальный характер и представляющих общечеловеческий интерес. Поэтому внедрение методов и приложений физики в физическое образование можно смело отнести к ее гуманитаризации, не акцентируя, тем не менее, именно это назначение, поскольку внедрение методов и приложений физики в физическое образование скорее можно отнести к фундаментализации обучения физике, которая иногда противопоставляется ее гуманитаризации. Однако чаще всего под гуманитаризацией физики понимается связь преподавания физики с предметами эстетического цикла и истории науки и культуры. Этому направлению г манитаризации посвящены работы С. А. Тихомировой [206], К. Н. Власовой [48], Л. А. Бордонской [38; 40], Л. В. Тарасова [201], В. Я. Лыкова [119], З. Е. Гельмана [53], Н. В. Шароновой и Р. Н. Щербакова [240]. Теоретическим основам гуманитаризации физического образования в средней школе посвящено докторское исследование В. И. Данильчука (1997 г.) [71]. Из работ последних лет можно выделить докторское исследование Л. А. Бордонской [39] и ее монографию [40], в которых рассмотрено обновление школьного физического образования на основе взаимосвязи науки культуры.
В монографии подчеркивается единство естественнонаучного и гуманитарного знания на основе общих принципов единства процесса познания, поэтому гуманитаризация физического образования представляется необходимой, учитывая «культуросообразность» (с. 84) физического образования. Мы не являемся сторонниками гуманитаризации физического образования. Воспитание культуры школьника в процессе изучения физики представляется нам процессом разумеющимся и вполне естественным, не требующим внедрения дополнительных средств. Мы считаем фундаментализацию физического образования очень важным фактором общего образования в целом и уверены, что гуманитаризация подавляет фундаментализацию. Поэтому связи физики, физического образования с искусством, литературой, художественной культурой считаем в определенной степени надуманными, а в большей степени данью всеобщего процесса гуманитаризации, охватившего российское образование в середине 90-х годов прошлого века. Гуманитарное значение физики состоит, на наш взгляд, в освоении научного метода познания в процессе изучения физики. Однако, мы согласны с Л. А. Бордонской в том, «что модернизация образования, обусловленная необходимостью коррекции образования с современным уровнем знаний о мире и человеке... – объективное требование времени» [38, с. 85], только предполагаем учитывать в меньшей степени реалии современного состояния культуры (в узком смысле), а в большей степени состояние науки-физики и особенно его прикладных разделов, имеющих значение в повседневной жизни человека. В ряде других работ, посвященных рассмотрению вопросов гуманитаризации, рассматриваются различные аспекты гуманитаризации, в частности, формирование историко-культурной составляющей физической науки в исследовании С. С. Серебряковой [188], реализации принципа культуросообразности в исследовании О. С. Остроумовой [155], культурологический подход в исследовании И. В. Турунтаевой [210]. 2. Обновление на основе информационного подхода, новых информационных (компьютерных) технологий.
Вопросам обновления содержания физического образования в основной школе на основе информационного подхода посвящено исследование Г. Н. Степановой [198]. Поиск и извлечение учащимися в ходе самостоятельной работы информации из различных источников составляет суть информационного подхода. Методы научного познания выступают в качестве исходных источников информации. Интеллектуальное развитие школьников в процессе обучения физике, по мнению автора, является следствием информационного подхода. Мы согласны с автором в том, что освоение методов научного познания способствует интеллектуальному развитию, однако, это в меньшей степени характерно для основной школы, в которой физические теории не изучаются, а способность к абстрактному и логическому мышлению еще не сформировалось в полной мере (см. 2.1).
В направлении информатизации учебного процесса по физике можно отметить целый ряд работ: от докторского исследования А. В. Смирнова 1996 г. [193], посвященного теории и методике применения средств новых информационных технологий в обучении физике до более поздних докторских исследований А. И. Ходановича (2003 г.) по информатизации общего физического образования [223], Е. В. Оспенииковой (2003 г.), посвященной развитию самостоятельности учащихся при изучении школьного курса физики в условиях обновления информационной культуры общества [154] и Н. В. Шиян (2005 г.), посвященного информатизации учебного процесса по физике, использованию компьютерных программ, электронных учебников, вопросам сопряжения физического эксперимента с компьютером [241]. Кроме этого, такой аспект физического образования рассматривается также в работах, посвященных применению информационных технологий при обучении физике в вузах, например, в технических университетах – в работе Г. В. Ерофеевой (2006 г.) [79], в региональном вузе – в работе А. И. Назарова (2005 г.) [139]. Большое количество кандидатских исследований посвящено различным аспектам внедрения информационных технологий в образовательный процесс по физике [226; 222; 61 и др.].
Концепция формирования методической обучения электродинамике учащихся средней школы на основе синтеза фундаментальных и прикладных знаний
В основе нашей концепции формирования методической системы обучения электродинамике в школе образования лежит корректировка целей, связанная с формированием фундаментальных и прикладных знаний и обусловленным этим интеллектуальным развитием и развитием компетентностей учащихся. Такой подход, изменяющий целевую ориентацию, преобразует характер обучения, поэтому мы также, как и М. В. Кларин [102] относим ее к инновационным.
Решающим фактором обучения и интеллектуального развития ученика является его опыт познавательной деятельности в сфере изучаемого материала. Поэтому учебный процесс должен быть организован так, чтобы изучаемые основы физики и методы науки были одновременно и объектом, и средством учебного познания. Акцент в модели обучения необходимо ставить на исследовательских методах, что делает значимой для изучения материала, отражающего основы научных знаний.
Дж. Брунер суммировал исследовательский подход к обучению в виде нескольких основных утверждений-принципов [102]. Мы внесли дополнения в эти утверждения-принципы, позволяющие спроецировать исследовательский подход для целей обучения электродинамике в школе. Использование наряду с этим компетентностного, деятельностного, системного, интегративного подходов позволяет выстроить концепцию методической системы обучения электродинамике в средней школе в виде структуры, описывающей идеи, цели, базовые принципы, отобранное содержание, формы, методы и средства организации учебного процесса в средней школе при обучении электродинамике. 1. В содержании предмета необходимо выделять ведущие, стержневые понятия, теории, вокруг которых концентрируется основное содержание предмета (генерализация). Это делает материал более доступным. 2. Изучение материала надо пронизывать соотнесением частных фактов с познавательными структурами, схемами, то есть изучать на основе методов познания и приложений; 3. Процесс усвоения основных понятий и принципов на основе общенаучных методов познания имеет более широкое значение и позволяет овладевать способами познавательной деятельности, значимыми и за пределами конкретного содержания физики; 4. Целесообразно применять «спиралевидное» изучение основных представлений и понятий, составляющих содержание физики в основной и старшей школе; 5. Ставить учащегося в положение исследователя, первооткрывателя, используя для этого возможности учебного демонстрационного и исследовательского эксперимента.
Под методической системой школьного физического образования будем понимать комплекс взаимосвязанных структурных и функциональных компонентов физического образования (цели образования, субъекты, содержание школьного курса физики, методы, формы и средства образования, результат). Такое определение методической системы мы даем вслед определению, данному Н. С. Пурышевой в [203], включая дополнительно результат обучения. Методическую систему можно моделировать, а ее модель подвергаться исследованию.
Учитывая принципы исследовательского подхода, а также опираясь накомпетентностный, системный, деятельностный и интегративный подходы и преследуя цели, обусловленные ведущей идеей, которая заключается в представлении о том, что обучение электродинамике в средней школе должно основываться на триаде - «теория - методология - приложения», что приведет к синтезу фундаментальных и прикладных знаний, мы разработали концепцию формирования методической системы школьного физического образования. Концепцию отражает следующая совокупность связанных между собой и вытекающих один из другого принципов, определяющих направление развития школьного физического образования и способы решения поставленных задач: - принцип цикличности в обучении (В. Г. Разумовский): факты — гипотеза — следствие — эксперимент (четыре фазы); в этом принципе определяется место методов познания и приложений физики для формирования фундаментальных и прикладных знаний; - принцип двухъядерной структуры раздела «Электродинамика» (авторский): одним ядром является теория электромагнитного поля Максвелла, с включением математической модели - уравнений Максвелла, другим ядром -классическая электронная теория Лоренца-Друде; каждое ядро обеспечивает выполнение принципа генерализации; - принцип модульной архитектуры раздела (авторский), основанный на дидактических блоках «теория - методология - приложения». - подходы: компетентностный, системный, деятельностный и интегра-тивный. - обучение электродинамике на основе общенаучных методов познания и специфических методов физики; - обучение школьников на основе модульной структуры электродинамики, в основу модулей положены дидактические блоки «теория-методология-приложения»; - использование демонстрационного и исследовательского экспериментов, наглядно подтверждающих идею единства теоретического, методологи ческого и прикладного подходов в обучении электродинамике. - генерализация учебного материала раздела «Электродинамика», средствами математической формулировки уравнений Максвелла, представляющих собой теоретическое ядро электродинамики. Большая часть этих положений на первый взгляд представляется известными и очевидными, однако школьная электродинамика в том виде, в котором обучение ей ведется в школах, весьма далека от этих принципов, представляя собой набор слабо связанных тем. 1. Методика обучения электродинамике в школьном курсе физики опирается на классическую схему, выдвинутую В. Г. Разумовским в 70-х годах прошлого века [176] и получившую название принципа цикличности: факты — гипотеза — следствие — эксперимент. Принцип цикличности в методике обучения физике развит и обобщен в монографии Ю. А. Саурова [183] Четыре звена в этой цепочке рассматриваются как четыре фазы научного творчества. Совершенствование методики обучения в развитие этого принципа предполагает включение теоретических знаний как результат перехода от метода гипотезы к теоретическим обобщениям на второй фазе. Включение вопросов методологии физики на третьей фазе, анализ результатов моделирования и обратная связь выступают в качестве «логических следствий из построенной модели» (В. Г. Разумовский) [176, с. 20]. Приложения на завершающем этапе соответствуют четвертой фазе классической схемы, однако носят общий характер, в большей степени соответствуя идее В. Г. Разумовского о включении в эту фазу вопросов «применения теории в действительности» [176, с. 21]. Эксперимент (в этапах цикла познания) понимается не только как экспериментальная проверка следствий, но и как применение теоретических знаний в практике (объяснение конструкций и принципов работы технических устройств). Таким образом, прикладные вопросы, рассмотрение применений физических законов в практике завершает цикл познания [202]. Мы определили место методологических и прикладных знаний в принципе цикличности в обучении.
Реализация модели методической системы обучения электродинамике при формировании теоретических, методологических и прикладных знаний по темам
При изучении электростатики необходимо введение, изучение и освоение следующих основных: - физических понятий: электрический заряд; электризация макроскопических тел; электростатическое поле; напряженность электрического поля; поток вектора напряженности электрического поля; потенциал, разность потенциалов; электрическое напряжение; электрическая ёмкость; - моделей конфигураций зарядов: точечный электрический заряд, равномерно заряженный по объему шар; равномерно заряженная плоскость; равномерно заряженная нить; - моделей вещества в электростатическом поле: полярный и неполярный диэлектрик; металлический проводник; - моделей графического отображения и инструментов: силовая линия электростатического поля; гауссова поверхность; эквипотенциальная поверхность; - методов: мысленный эксперимент по взаимодействию точечных электрических зарядов в вакууме, мысленного эксперимента с веществом в электростатическом поле; абстрагирование при построении моделей; аналогия электростатического и гравитационного взаимодействия; аналогия истока и стока, силовых линий электростатического поля и линии тока жидкости в гидродинамике; математический метод «коэффициента пропорциональности»; логически индуктивный вывод основного уравнения электростатики -третьего уравнения Максвелла, основанного на законе Гаусса; логически индуктивный вывод о свойствах электрического поля любой конфигурации источников на основе рассмотрения только двух частных случаев - однородного поля и поля точечного источника; - принципа суперпозиция электрических полей; - законов: сохранение электрического заряда; взаимодействие двух точечных зарядов в вакууме (Закон Кулона); взаимосвязь потока вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность с величиной зарядов-источников внутри этой поверхности (закон Гаусса). Структура темы нам представляется следующей: 1) электрический заряд, электризация; 2) взаимодействие электрических зарядов; 3) электростатическое поле, принцип суперпозиции; 4) закон Гаусса и его применение, четвертое уравнение Максвелла; 5) энергия заряда в электростатическом поле, потенциал; 6) диэлектрики и проводники в электростатическом поле; 7) электрическая емкость, конденсаторы; 8) энергия электрического поля.
Одним из основных понятий электродинамики является понятие электрического заряда. Как правило, фундаментальным понятиям невозможно дать тривиальное определение. К таким понятиям с полным правом можно отнести и понятие электрического заряда. Известны определения электрического заряда, трактующие его как свойство элементарных частиц, характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействиям [204]. Однако понятие электромагнитного взаимодействия само базируется на понятии электрического заряда. Нет необходимости обсуждать вопрос о первичности понятий, решение этого вопроса не является ни проблемой физики, ни проблемой методики обучения. Существуют и другие определения, например, описывающие на основании государственного стандарта [62] элементарный электрический заряд как свойство электрона или протона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическим полем и их взаимодействие с внешним электрическим полем, определенное для электрона и протона числовым значением, равным по размеру, но противоположным по знаку [234]. Большая часть определений электрического заряда сводится к определению его как свойства элементарной частицы электрона или протона [132]. Хотя известно, что электрическим зарядом обладают и другие элементарные частицы, например, некоторые мезоны и гипероны. В этом смысле более общим является определение, где электрический заряд определяется через его существование в природе в виде заряженных частиц, которые считаются элементарными [96].
В учебной литературе для школьников даются различные определения электрического заряда, в частности, в учебнике для школ и классов с углубленным изучением физики под редакцией А. А. Пинского [219] существование электрического заряда представляется как объяснение электростатического взаимодействия тел, что достаточно узко. В учебнике для углубленного изучения физики Г. Я. Мякишева и др. понятие электрического заряда вводится через взаимодействие частиц: если сила взаимодействия между ними «медленно уменьшается с увеличением расстояния и во много раз превышают силу всемирного тяготения» [141, с. 9]. Там же подчеркивается также, что электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий (с. 10). Примерно такое же определение дается в учебнике Г. Я. Мякишева и др. для 10 классов общеобразовательной школы [139]. Эти определения пытаются использовать аналогию участников гравитационного и электромагнитного взаимодействия, в общем-то, не всегда приемлемую, особенно с учетом представлений о структурных уравнениях электромагнитного поля. В распространенном учебнике В. А. Касьянова дано «силовое» определение электрического заряда: «Электрический заряд — физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия» [100, с. 350], однако там же, на с. 357, сила взаимодействия сама определяется через электрический заряд. В менее распространенном учебнике Л. И. Анциферова электрический заряд определяется через электромагнитное поле как его источник: «Физическая величина, определяющая свойство физических тел, состоящее в том, что эти тела являются источниками электромагнитного поля» [30, с. 4]. Как известно, не только физические тела являются источниками электромагнитного поля. Нам представляется наиболее оправданным определение электрического заряда как количественной меры электромагнитного взаимодействия. При этом сохраняется логическая целостность при переходе от понятия «электромагнитное взаимодействие» к понятию «электрический заряд».
Так как электромагнитное взаимодействие определяется как тип фундаментального взаимодействия, характеризуемый участием электромагнитного поля, а электрический заряд, как количественная мера этого взаимодействия. При этом упрощается подход к определению электрического заряда как источника электромагнитного поля. С другой стороны электрический заряд является атрибутом некоторых элементарных частиц. Электрический заряд любой из известных элементарных частиц кратен заряду электрона е (у мезонов — е, у барионов — не более 2е). Этот факт делает более простым определение электрического заряда макроскопического тела, характеризуемого через избыток или недостаток электронов [252].Этому же определению соответствуют выводы из элементарной теории электризации. Таким образом, новый подход к понятию «электрический заряд» заключается в определении его как атрибута некоторых частиц и количественной меры электромагнитного взаимодействия.
Очень важно на этой стадии введение понятия о точечном электрическом заряде как о модели, основанной на предельном абстрагировании. Точечный электрический заряд представляется как электрический заряд, размещенный на материальной точке — модели механики, которой соответствует и геометрическая модель — точка в пространстве, имеющая определенные координаты в заданной системе отсчета.
Методика изучения фундаментальных и прикладных вопросов магнетизма
На наш взгляд феноменологический подход к изучению магнитного поля наиболее целесообразен, впрочем, также как и к изучению электростатического поля, которое начинается с рассмотрения явления электризации и электрического (кулоновского) взаимодействия. Феноменологический подход логически самосогласован и адекватно воспринимается учащимися, хотя и не является единственным. Основным методическим подходом при изучении магнитных явлений авторы учебного пособия по методике преподавания физики в средней школе под ред. С. Я. Шамаша [132] считают релятивистский подход, как наиболее современный и научный, что нельзя отрицать. Этот подход нашел отражение в учебной литературе, например, в двухтомнике Б. М. Яворского, А. А. Пинского [256]. Однако, этот метод слишком перегружен для школьников теоретическими выкладками, использующими специальную теорию относительности, за которыми теряется смысл и понимание изучаемых явлений. Поэтому даже в большинстве курсов общей физики для вузов используется именно феноменологический подход. Феноменологический подход также имеет различные разновидности, например, в учебнике под ред. А. А. Пинского [219] и в учебнике Л. И. Анциферова [30] изучение магнитного поля начинается с изучения магнитного поля токов. Нам представляется целесообразным изучение магнитных явлений начинать с магнитных взаимодействий, такая же логика изложения предлагается и в многотомном учебнике Г. Я. Мякишева [141].
При изучении магнитного поля необходимо введение, изучение и освоение следующих основных: - физических понятий: электрический заряд; электризация макроскопических тел; электростатическое поле; напряженность электрического поля; поток вектора напряженности электрического поля; потенциал, разность потенциалов; электрическое напряжение; электрическая ёмкость; - моделей конфигураций зарядов: точечный электрический заряд, равномерно заряженный по объему шар; равномерно заряженная плоскость; равномерно заряженная нить; - моделей вещества в электростатическом поле: полярный и неполярный диэлектрик; металлический проводник; - моделей графического отображения и инструментов: силовая линия электростатического поля; гауссова поверхность; эквипотенциальная поверхность; - методов: мысленный эксперимент по взаимодействию точечных электрических зарядов в вакууме, мысленного эксперимента с веществом в электростатическом поле; абстрагирование при построении моделей; аналогия электростатического и гравитационного взаимодействия; аналогия истока и стока, силовых линий электростатического поля и линии тока жидкости в гидродинамике; математический метод «коэффициента пропорциональности»; логически индуктивный вывод основного уравнения электростатики -третьего уравнения Максвелла, основанного на законе Гаусса; логически индуктивный вывод о свойствах электрического поля любой конфигурации источников на основе рассмотрения только двух частных случаев - однородного поля и поля точечного источника; - принципа суперпозиция магнитных полей источников; - законов: взаимодействие двух прямолинейных токов в вакууме (Закон Ампера); закон Гаусса для магнитного поля. Структура темы в нашем курсе такова: 1) магнитные взаимодействия - феноменологические рассмотрение; 2) магнитное поле - поле движущихся зарядов; 3) закон Гаусса для магнитного поля - четвертое уравнение Максвелла, закон Ампера - первая часть первого уравнения Максвелла; 4) сила Ампера; 5) сила Лоренца, эффект Холла; 6) движение заряженной частицы в однородном магнитном поле; 7) магнитные свойства вещества. В логике изучения темы «Магнитное поле», основанной на феноменоло гическом подходе от наблюдения магнитных взаимодействий (и магнитной силы как характеристики этих взаимодействий) осуществляется переход к понятию магнитного поля. Магнитное поле определяется как проявление электромагнитного поля, которое создается движущимся электрическим за рядом (электрическим током).
Основными демонстрационными экспериментами при изучении магнитного поля, несущими максимальную дидактическую нагрузку следует признать эксперимент по действию прямолинейного проводника на магнитную стрелку (опыт Эрстеда) и эксперимент по взаимодействию двух прямолинейных параллельных проводников (опыт Ампера). Если первый эксперимент в большей степени имеет иллюстративную функцию («проводник с током создает вокруг концентрическое магнитное поле, обнаруживаемое магнитной стрелкой»), то второй эксперимент наряду с этой функцией («магнитное поле одного проводника действует на другой проводник») еще и крайне важен для введения понятия «вектор магнитной индукции».
Здесь необходимо отметить, что изложенная логика введения магнитной индукции из взаимодействия параллельных прямолинейных токов не единственная и некоторое время назад логика введения магнитной индукции была предметом методических споров. Например, в учебном пособии [132] магнитная индукция вводится на основе взаимодействия электронных пучков и ориентационного действия магнитного поля на замкнутый контур с током. В другом учебном пособии [204] изложены все (четыре) возможные подходы к введению магнитной индукции: 1) на основе взаимодействия магнитного поля тока и потока заряженных частиц, 2) из взаимодействия двух параллельных проводников с током, 3) по ориентирующему действию магнитного поля на замкнутый контур с током 4) на основе закона электромагнитной индукции. Там же вполне резонно отмечено, что ни один из способов не может быть предпочтительнее другого и определяется логикой изложения материала. Поскольку мы придерживаемся логики, основанной на феноменологическом подходе, использующем классические фундаментальные опыты в качестве основы для изложения материала, то приведенный здесь и далее способ нам представляется наиболее естественным.
Графической моделью магнитного поля является модель силовых линий, введение которой не представляет затруднений, особенно ввиду того, что учащиеся уже владеют таким описанием поля после изучения электростатики. Линии магнитного поля можно наблюдать с помощью демонстрационной установки с графопроектором.
Установление количественных соотношений для магнитного поля заключаются в рассмотрении закона о циркуляции вектора магнитной индукции (закон Ампера) для магнитных полей вдоль замкнутого контура и закона Био-Савара-Лапласса, который описывает магнитное поле в данной точке, создаваемое или элементом тока или движущимся электрическим зарядом. Нам представляется целесообразным в средней школе включить изучение только закона Ампера. Практическое использование закона Био-Савара-Лапласса для нахождения магнитных полей различных источников требует достаточных знаний интегрального исчисления и неприемлемо в школьном курсе. Расчет магнитного поля на оси кругового тока — наиболее доступный случай применения закона Био-Савара-Лапласса — вряд ли может служить оправданием для дополнительной нагрузки учащихся теоретическими выкладками, тем более что такой расчет не имеет необходимой практической ценности. Практически более ценен расчет магнитного поля длинной катушки (соленоида), который может быть выполнен на основе закона Ампера.
В учебной литературе для школьников, например, в углубленном курсе [141] подробно рассматривается закон Био-Савара-Лапласса и записывается в векторной форме, а в учебнике под ред. А. А. Пинского [219], также предназначенном для углубленного изучения, этот закон не рассматривается. Нет такого рассмотрения и в учебнике Л. И. Анциферова [30] и других учебниках, предназначенных для общеобразовательных школ. В методической литературе также не настаивается на изучении закона Био-Савара-Лапласса.
Установление двух базовых законов этого подраздела школьной электродинамики – закона Гаусса для магнитного поля и закона Ампера является основной дидактической задачей, поскольку эти законы образуют методологические ядро темы «Магнитное поле», являя собой два уравнения Максвелла, правда, что касается закона Ампера, то только для вещественных источников магнитного поля.
