Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор литературы и постановка задач исследования 12
1.1 Роль физики в контексте современной парадигмы образования 12
1.2 Основные задачи обучения физике 15
1.3 Современные компьютерные технологии в учебном эксперименте по физике 24
1.3.1 Преимущества использования компьютерной техники в обучении 25
1.3.2 Основные направления использования компьютерных технологий в школьном эксперименте 28
1.3.3 А втоматизация учебного эксперимента З3
1.3.4 Внедрение компьютерных технологий в процесс обучения 34
1.3.5 Педагогическое обоснование использования компьютерных технологий в обучении 37
1.4 Методика преподавания курса «Лазеры» в средней школе 42
1.5 Выводы 47
Глава 2. Методика изучения лазеров с использованием компьютерных технологий 48
2.1 «Лазеры» в классах с углубленным изучением физики 49
2.2 Компьютерные технологии при изучении лазеров 53
2.2.1 Применение лазеров 53
2.2.2 Структура лазеров и их классификация 54
2.2.3 Спонтанное излучение 56
2.2.4 Поглощение 57
2.2.5 Вынужденное (индуцированное) излучение 57
2.2.6 Коэффициенты Эйнштейна. Инверсная заселенность 58
2.2.7 Оптический резонатор 60
2.2.8 Способы получения инверсной заселенности в различных средах 64
2.2.8.1 Трехуровневая схема работы лазера 65
2.2.8.2 Четырехуровневая схема работы лазера 67
2.2.8.3 Изучение принципа работы рубинового лазера 69
2.2.8.4 Изучение принципа работы гелий-неонового лазера 72
2.2.8.5 Изучение принципа работы полупроводникового лазера 75
2.2.8.6 Сводная таблица по основным характеристикам лазеров 78
2.3 Использование индивидуального рабочего места учащегося для
постановки лабораторных работ при изучении темы «Лазеры» 81
2.3.1 Характеристики индивидуального рабочего места учащегося 83
2.3.2 Лабораторно-учебный комплекс «ЛУК-1» 88
2.4 Лабораторные работы по изучению лазеров 93
2.4.1 Лазерная система связи 93
2.4.2 Дифракция через точечное отверстие и одинарную щель 97
2.4.3 Компакт диск как дифракционная решетка 101
2.4.4 Вольт-амперная характеристика лазерного диода 105
2.4.5 Расходимость лазерного пучка ПО
2.5 Выводы 114
Глава 3. Организация и проведение педагогического эксперимента 115
3.1 Основные этапы и содержание педагогического эксперимента 115
3.2 Использование методов математической статистики для обработки результатов педагогического эксперимента 125
3.3 Выводы 135
Заключение 136
Список литературы 138
- Роль физики в контексте современной парадигмы образования
- Коэффициенты Эйнштейна. Инверсная заселенность
- Основные этапы и содержание педагогического эксперимента
Введение к работе
В настоящее время, когда ученые физики стремятся приблизиться к пониманию строения и свойств окружающей нас материи, проводят многочисленные эксперименты по столкновению частиц, назрела необходимость активизации творческого потенциала учащихся средних школ в процессе обучения физике. Следует создавать технологии обучения, ориентированные на возможно более полное использование учебного' физического эксперимента, направленные на формирование научного мировоззрения, подготавливающие к решению самых сложных технологических задач.
Одна из важнейших тем, изучаемых в школьном курсе физики, связана с лазерами. Квантовые генераторы света — лазеры, были созданы в начале шестидесятых годов прошлого столетия. Их уникальные свойства обусловили широкое применение этих приборов в науке, промышленности и бытовой жизни. Сегодня без использования лазеров невозможно представить ни одной- современной отрасли, лазерные технологии лежат в основе производства современных компьютеров, устройств для чтения и записи CD и DVD дисков, лазерных принтеров, мышек, указок, и многих других устройств, которыми постоянно пользуются учащиеся школ. Высокая степень монохроматичности, когерентности и направленности лазерного излучения позволила создавать приборы для диагностики и лечения различных заболеваний, использовать лазер как уникальный современный медицинский инструмент. Для обеспечения обороноспособности нашей родины созданы спутниковые системы связи, разработаны различные системы наведения и автопилоты, работа которых также основана на применении лазеров. Примером использования оптических квантовых генераторов (ОКГ) в промышленности могут служить высокоточные дальномеры, современные аппараты для сварки, резки и термообработки материалов, устройства для производства микросхем. От студенческих
лабораторий, до установок управляемого термоядерного синтеза и космических исследований - везде лазеры являются незаменимым рабочим инструментом.
В школьном курсе физики изучению лазеров уделяется крайне мало времени, в большинстве учебных программ на изучение данной темы отведено не более трех 3 часов. Отсутствуют или практически отсутствуют наглядные пособия, лабораторные работы и физический практикум. Все это приводит к тому, что у выпускников школ оказываются несформированными на требуемом уровне соответствующие знания и экспериментальные умения.
В тоже время программа развития системы непрерывного образования в России до 2010 года требует обеспечения преемственности формирования научных знаний и умений, позволяющих применять их в различных областях практической деятельности.
Вопросы лазерного излучения рассмотрены в работах Н.Г. Басова, О.В. Богданкевича, Б.М. Булла, А.И. Изнара, А.С. Красникова, Б.М. Миркина, Ю.М. Попова, A.M. Прохорова, В.А. Степанова, Л.В.Тарасова, Б.Ф. Федорова и др. Однако содержащийся в них материал, не соответствует уровню подготовки учащихся старших классов, требует гораздо более высокой математической подготовки, интеграции знаний из смежных наук. Отбор содержания необходимого учебного материала, его структурирование, разработка методов преподавания остается нерешенной задачей в современной профильной средней школе. В сегодняшних социально-экономических условиях развития общества, учебный курс, посвященный проблеме создания лазеров, их устройству и применению в различных сферах деятельности человека позволит наряду с развитием личностных качеств учащихся, их мышления, ценностных ориентации, значительно расширить их знания и экспериментальные умения, повысить интерес к предмету. Сделать это возможным оказалось благодаря использованию новых информационных технологий в обучении физике, компьютерному
моделированию, автоматизации физических учебных экспериментов, дистанционному обучению, удаленным формам контроля и прочим.
В последнее время, проблеме использования новых информационных технологий в обучении физике посвящено большое число исследований, результаты которых отражены в работах Л.И. Анциферова, А.А. Богуславского, Д.В. Баяндина, Э.В. Бурсиана, Ю.А. Воронина, Ю.А. Гороховатского, В.А. Извозчикова, А.С. Кондратьева, В.В. Лаптева, А.И. Назарова, В.В. Лаптева, Р.В. Майера, Ю.С. Песоцкого, О.В. Поваляева, И.В. Роберт, А.В. Смирнова, С.К. Стафеева, СВ. Степанова, Г.Н. Степановой, А.И. Фишмана А.С. Чирцова, P.M. Чудинского и др. Однако вопросы методики использования информационных технологий при изучении оптических квантовых генераторов в средней школе исследованы еще недостаточно полно.
Таким образом, актуальность проведенного исследования обусловлена противоречием между задачами повышения уровня знаний и экспериментальных умений учащихся, связанных с изучением лазеров в средней школе с одной стороны, и существующей методикой изучения лазеров в средней школе, не позволяющей в полной мере решать эти задачи, с другой стороны.
Объектом исследования процесс обучения физике учащихся средних школ.
Предмет исследования: методика изучения лазеров в школьном курсе физики с применением новых информационных технологий.
В основу работы положена гипотеза исследования, согласно которой повысить уровень знаний учащихся, развить их экспериментальные умения и активизировать познавательный интерес при изучении лазеров удастся если:
создать адаптированный учебный курс по данной теме для профильных классов средней школы;
использовать современные компьютерные технологии в рамках данного курса;
Цель исследования состоит в разработке методики изучения лазеров в средней школе с использованием новых информационных технологий. Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:
1. Проанализировать состояние методики изучения оптических
квантовых генераторов в школе и выявить основные трудности в
преподавании данного раздела.
2. Осуществить обзор учебного материала по лазерам и разработать
содержание учебного курса по данной теме, адаптированного к профильной
средней школе, с учетом использования современных средств обучения.
Изучить опыт применения новых информационных технологий в обучении физике и определить возможности их использования при изучении оптических квантовых генераторов.
Скорректировать методику изучения оптических квантовых генераторов в средней школе с учетом развития личностных качеств учащихся, их мышления, творческих способностей, экспериментальных умений, познавательного интереса.
5. Создать компьютерные демонстрационные слайды и программы,
повышающие наглядность статических и динамических картин при изучении
лазеров.
6. Разработать обучающие и контролирующие компьютерные
программы, обеспечивающие учащимся возможность следить за динамикой
процессов, происходящих в лазерах и вмешиваться в их ход.
7. Разработать лабораторные работы по изучению свойств лазеров с
применением компьютерных технологий, включая лабораторные работы
физического практикума, обеспечивающие автоматизацию эксперимента.
8. Проверить гипотезу исследования в ходе педагогического
эксперимента.
Для решения поставленных задач использованы, следующие методы исследования:
- теоретический анализ проблемы на основе изучения научной,
учебной, педагогической, психолого-педагогической и учебно-методической
литературы.
- изучение и обобщение опыта, накопленного учителями школ при
обучении учащихся теме «Лазеры»;
беседы, опрос, тестирование и анкетирование учащихся и учителей;
методы экспериментальной физики при изучении лазеров в средней школе;
- методы прикладной математики и информатики при разработке
компьютерных программ, слайдов и вспомогательного оборудования для
демонстрационных опытов и лабораторных работ по лазерам;
- методы математической статистики.
Основные этапы исследования
В соответствии с поставленными задачами исследование осуществлялось в течение 5 лет (с 2004 г. по 2009 г.) в несколько этапов.
На этапе констатирующего эксперимента проводился анализ литературы по исследуемой теме, который позволил выявить общие методологические и теоретические основы исследования. Изучалась методика изучения лазеров в школе, обобщался педагогический опыт учителей общеобразовательных школ для определения состояния проблемы и возможности осуществления коррекции данной методики в современных условиях, с использованием новых информационных технологий. Уточнялась комплектность имеющегося в кабинетах физики учебного оборудования.
В ходе поискового эксперимента уточнены задачи исследования, определено содержание учебного материала по изучению оптических квантовых генераторов в средней школе, выявлены пути реализации созданной методики на основе разработанных средств обучения." Созданы необходимые учебно-методические комплекты для проведения учебных демонстраций, лабораторных работ, работ физического практикума,
необходимых при изучении лазеров. Отобраны экспериментальные и контрольные классы, разработана методика определения эффективности предлагаемой технологии обучения.
На третьем этапе проводился формирующий эксперимент, в ходе которого определялась эффективность обучения данному материалу на основе применения новых информационных технологий в сочетании с традиционными методами. Уточнялись и корректировались методические рекомендации по использованию материалов исследования в педагогической практике.
Достоверность результатов исследования обеспечиваются:
использованием реальных физических моделей и современных методов исследования при разработке компьютерных программ;
использованием стандартных методов статистической обработки результатов
репрезентативностью выборки участников педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
Впервые на основе печатного и электронного методического пособия для профильных классов средней школы разработан учебно-методический комплекс для изучения лазеров.
Впервые разработана методика изучения лазеров в профильных классах средней школы, предусматривающая использование различных видов учебных занятий, демонстраций, численного и натурного эксперимента, рефератов, конференций, обеспечивающая строгую последовательность изучения соответствующих тем как при активном участии учителя, так и самостоятельно.
Созданы обучающие и контролирующие программы, компьютерные слайды и демонстрационные динамические картины, иллюстрирующие физические принципы работы оптических квантовых генераторов, которые включают в себя программы по изучению понятия инверсной заселенности,
трех- и четырехуровневой системы работы лазера, принципов работы лазеров различных типов и др.
4. Разработаны разноуровневые традиционные и автоматизированные лабораторные работы по курсу «Лазеры» для учащихся профильных классов средних школ, включающие в себя следующие темы: лазерная система связи, дифракция через точечное отверстие и одинарную щель, компакт-диск как дифракционная решетка, вольт-амперная характеристика лазерного диода, измерение расходимости лазерного луча.
Теоретическая значимость исследования определяется:
разработкой учебного курса и авторской методики изучения лазеров в средней школе;
применением современных информационных технологий, позволяющих изучать динамику процессов в оптических квантовых генераторах;
возможностью организации исследовательской деятельности учащихся при изучении лазеров.
Практическую значимость исследования имеют:
методические рекомендации при проведении уроков и факультативных занятий по изучению оптических квантовых генераторов;
учебные демонстрации и лабораторные работы, необходимые для формирования соответствующих экспериментальных умений, предусматривающие различные уровни сложности при их выполнении;
работы физического практикума, позволяющие осуществить автоматизацию некоторых наиболее сложных учебных экспериментов, проводимых при изучении лазеров.
результаты исследования, внедрение которых повышает уровень знаний и умений учащихся, развивает их познавательный интерес.
На защиту выносится:
1. Учебно-методический комплекс для изучения лазеров в профильных классах средней школы, содержащий адаптированный учебный курс,
компьютерные динамические программы и лабораторные работы, включая автоматизированные с применением ЭВМ.
Методика изучения лазеров, предусматривающая логическую функциональную последовательность изучения необходимых разделов курса: от понятий возбужденные атомы, инверсия заселенности, поперечные моды, дифракционные потери, резонансное усиление вынужденного излучения в активной среде и внутри резонатора до процессов в твердотельных, газовых, полупроводниковых лазерах, обеспечивающая наглядность и эффективное изучение данного материала.
Компьютерная технология, предусматривающая использование различных видов учебного эксперимента: демонстрационного, численного, натурного, автоматизированного, позволяющая наблюдать динамику образования возбужденных и метастабильных атомов, лавинообразного вынужденного излучения и формирования направленного пучка света при отражении от зеркал резонатора.
Апробация исследования.
По теме диссертации опубликовано 15 работ, сделано 8 докладов^ на международных и всероссийских конференциях, в том числе: XI и XII всероссийских конференциях «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы, современный решения», Глазов, 2006, 2007; научно-практической конференции «Профильное обучение физике в старших классах общеобразовательных учреждений: проблемы, пути, решения», Коломна, 2006; XII Рязанских педагогических чтениях «Методическое обеспечение качества учебно-воспитательного процесса», Рязань, 2005; IX Международной конференции «Физика в системе современного образования (ФССО-07)», Санкт-Петербург, 2007; республиканской конференции "Оптические методы в современной физике" Ташкент, 2008; X Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум», Астрахань, 2008.
Структура и содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и библиографического списка, включающего 141 наименование. Основной текст диссертации изложен на 149 стр., включает 4 таблицы, 56 рисунков и диаграмм.
Во «Введении» диссертации обоснована актуальность темы исследования, определен его объект, предмет, сформулированы цели и задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе «Аналитический обзор литературы и постановка задач исследования» проведен анализ психолого-педагогической, научно-методической литературы, диссертационных работ по теме исследования, опыта работы школ. Выявлены проблемы, возникающие при изучении сложных для понимания процессов, происходящих при работе лазера. Намечены пути решения этих проблем.
Вторая глава «Методика изучения лазеров с использованием
компьютерных технологий» посвящена описанию методики изучения
оптических квантовых генераторов с использованием современных средств
обучения, компьютерных технологий, разработке разноуровневых
лабораторных работ с использованием компьютерной техники и разработанного нами лабораторно-учебного комплекса «ЛУК-1».
В третьей главе «Организация и проведение педагогического эксперимента» диссертации представлены организация и результаты проведения педагогического эксперимента, выполненного для проверки выдвинутой гипотезы и эффективности разработанной методики.
В заключении сформированы основные результаты проведенного исследования.
Роль физики в контексте современной парадигмы образования
Модернизация школы как социального института образовательной системы происходит в соответствии с Конвенцией о правах ребёнка, с Законом Российской Федерации «Об образовании» и Концепцией модернизации Российского образования на период до 2010 года. Образование характеризуется как процесс воспитания и обучения в интересах личности, общества и государства, направленный на развитие индивида, талантов, умственных и физических способностей ребёнка в полном объёме. Школа ориентирована на будущее, поэтому её жизнь следует строить по законам и нормам не сегодняшнего дня, а по законам и нормам идеала дня завтрашнего [95].
В федеральной программе развития образования одной из важнейших проблем, требующих научно обоснованного решения и внедрения в практику образовательной деятельности, является ориентация на развитие личности, гуманизация, формирование социальных норм, системы жизненных ценностей, и других элементов культуры [111].
В соответствии с законом РФ «Об образовании» педагог должен направлять свою деятельность на обеспечение профессионального самоопределения личности, то есть не только способствовать усвоению знаний, умений и навыков, но и целенаправленно воздействовать на учащихся в процессе их совместной жизнедеятельности, в которой осуществляется соединение нравственного, социального, собственно образовательного и личностного компонентов.
Изменения, происходящие в ценностно-смысловой, целевой, функциональной и иных сферах современной действительности, выдвигают на первый план необходимость обращения к вопросам, связанным с переосмыслением многих аспектов и проблем формирования человека.
За последние годы в жизни и работе средней школы произошли большие изменения.
1. Основными принципами, положенными в основу изучаемых курсов стали принципы гуманизации, гуманитаризации и дифференциации обучения.
2. Исчезла единая средняя школа, возникли различные школы: средние общеобразовательные, гимназии, лицеи, школы с углубленным изучением различных предметов. Школа перестала быть единообразной .
3. Исчезла единая программа курса физики (и других курсов), не стало единого учебника.
4. Уровень подготовки школьников стал определяться единым государственным стандартом, исходя из требований которого, составляется программа курса физики и выбираются те учебники, которые отражают её содержание.
5. Обязательной является основная школа (1-9 классы). Старшие классы (10 и 11) являются профильными [107].
Для одних учащихся в основной школе, которым физика в дальнейшем не пригодится (в основном для учащихся, выбравших гуманитарную направленность), физика должна быть представлена как элемент культуры. Для других, которым физика потребуется в их дальнейшей профессии (медицина, химия, биология), необходимо обеспечить программный уровень её усвоения. Для тех же учащихся, которые непосредственно с изучением физики связывают свою будущую профессию, должен быть обеспечен углубленный уровень преподавания. Дифференциация обучения физики даёт возможность учитывать способности, склонности и интересы учащихся. Ученик становится субъектом обучения и перестаёт быть объектом обучения, т.е. обучение становится личностно - ориентированным [107]. Учитель, рассматривая каждого ученика как личность, перестаёт быть для учащихся основным источником знаний, а превращается в организатора их познавательной деятельности.
Изменение концепции среднего образования в России, в частности отражение идеи личностно — ориентированного образования приводит, к изменению иерархии целей обучения и расстановке новых приоритетов. Соответственно возникает противоречие между новыми образовательными задачами, сложившимся содержанием и традиционными технологиями обучения.
Возникает проблема определения содержания физического образования и создания технологий обучения физике, соответствующих новой концепции образования и новым образовательным задачам.
В настоящее время неуклонно идёт процесс информатизации общества, что приведёт в самое ближайшее время к массовой информатизации образования. Уже сейчас широко используются в школе моделирующие, контролирующие и обучающие компьютерные программы. Компьютер всё более широко входит в учебный процесс по всем предметам, в том числе и по физике. Создание технологий обучения физике с использованием компьютера - одна из актуальных проблем теории и методики обучения [107].
Коэффициенты Эйнштейна. Инверсная заселенность
Вероятности переходов атома между уровнями E2VL Ех: А21, В]2 и В2] введены Эйнштейном и получили название коэффициентов Эйнштейна. Индексы отражают существование процессов излучения (2 — 1) и поглощения (1 — 2 ).
Пусть количество атомов на уровне Е1 будет пх, а на уровне Е0 - п2.
В условиях термодинамического равновесия зависимость концентрации атомов от уровня энергии определяется уравнением Больцмана:
Зависимость между вероятностями спонтанного и вынужденного излучения: WU34 пропорциональна B2\ и, следовательно, там, где запрещены индуцированные переходы не может быть спонтанного излучения и наоборот, где нет спонтанного излучения, не может быть индуцированного излучения.
В соотношении (2.2.2) между вероятностями спонтанного и индуцированного излучения входит величина =—, равная числу осцилляторов (типов волн, типов колебаний или мод) в единичном спектральном интервале для свободного пространства. Вероятность 3 спонтанного излучения пропорциональна и , и поэтому его роль мала на радиочастотах и велика в оптике.
Для квантовой электроники (лазеров) определяющей, однако, является пропорциональность вероятности индуцированного излучения плотности индуцированного поля. При достаточно большой плотности этого поля происходит главным образом индуцированное когерентное излучение.
Далее необходимо изучить понятие инверсной заселенности, т.к. принципы работы лазера невозможно понять, не рассмотрев данное явление. Для повышения уровня наглядности преподаваемого материала и более глубокого усвоения разработана обучающая программа, которая позволяет учащимся самостоятельно изучить данное понятие. На рис. 2.2.6 отражено начальное состояние программы (инверсия заселенностей отсутствует).
С помощью мышки учащиеся захватывают атомы и перемещают их на различные энергетические уровни (рис. 2.2.7).
При создании инверсии заселенностей между любыми уровнями в верхней части окна программы появляется соответствующая надпись (рис. 2.2.8).
Проделав данные манипуляции, учащиеся делают вывод о том, что инверсия заселенностей - это состояние системы атомов, при котором на верхнем энергетическом уровне находятся большее количество атомов, чем на нижнем. Таким образом, использование принципа наглядности позволяет учащимся визуально понять и запомнить данное понятие [45].
Одной из важнейших тем для понимания принципов работы лазера является теория оптических резонаторов. Для более полного усвоения данной темы нами разработана лабораторная работа по изучению структуры выходного излучения лазера с использованием компьютерной модели. В случае возбуждения мод с вращательной симметрией относительно оси резонатора поле в поперечном сечении пучка описывается функциями Лагерра-Гаусса, а при зеркальной симметрией по отношению к двум взаимно перпендикулярным плоскостям, содержащим ось, - функциями Эрмита-Гаусса. При этом излучение лазера в поперечном сечении образует быстро ослабевающую при удалении от оси картину пятен интенсивности. Распределение энергии в поперечном сечении излучении лазера и структуру поля на поверхности зеркал резонатора можно определить, воспользовавшись соотношением: собственные функции, являющиеся решением этого уравнения при определенных значениях утп (собственные значения), характеризуют структуру поля на поверхности зеркал различных типов колебаний резонатора, которые называют поперечными и обозначают как колебания типа ТЕМтп. Индексы тип характеризуют число изменений направления поля по осям х и у для прямоугольных зеркал и по радиусу и углу для круглых зеркал соответственно.
В лабораторной работе используется следующая установка с использованием гелий-неонового лазера:
Основные этапы и содержание педагогического эксперимента
Эксперимент — это исследовательская деятельность, предназначенная для проверки выдвинутой гипотезы, разворачиваемая в естественных или искусственных условиях, результатом которой является новое знание, включающее в себя выделение существенных факторов, влияющих на результаты педагогической деятельности. Педагогический эксперимент — эксперимент, задачей которого является выяснение сравнительной эффективности применяемых в учебно-воспитательной деятельности технологий, методов, приемов, нового содержания и т. д.
В условиях педагогического эксперимента наиболее актуален вопрос о способах, применяемых для нахождения закономерных связей между определенной стороной учебного процесса и достигаемым результатом. Необходимо учитывать, что на результат обучения влияют не только различие методик, но и различие состава учащихся в экспериментальных и контрольных группах. Последнее обстоятельство можно преодолеть путем перекрестного изучения, при котором на уроках в параллельных группах ставятся одни и те же учебные задачи, изучается одинаковой учебный материал, занятия проводит один и тот же преподаватель, поочередно используя в каждой из параллельных групп различные методики обучения.
При такой организации эксперимента исключается влияние опыта преподавателя и особенностей состава обучаемых групп. Так как каждый вопрос программы может быть сообщен в качестве нового материала только один раз, то исследуемые способы обучения изучаются в каждом из параллельных классов на материале разных вопросов программы. Это исключает влияние особенностей учебного материала.
Накопление фактического материала нами осуществлялось при проведении контрольных работ, наблюдении хода уроков, анкетировании и тестировании. Эффективность предлагаемой нами методики оценивалась с помощью различных методов. Для того чтобы результат обучения был представлен не суммарно, а по отдельным компонентам знаний и навыков, приобретаемых учащимися, или по определенным вопросам программы, контрольные работы в экспериментальных и контрольных классах сравнивались по числу правильных ответов. При этом сравнение осуществлялось путем вычисления процента правильных ответов, или вычисления средней величины вариационного ряда. Используя эти методы, мы придерживались общепринятой точки зрения, согласно которой количественное выражение связей и зависимостей в педагогических явлениях можно считать оправданным лишь в тех случаях, когда оно базируется на разностороннем качественном анализе. Использовались также индивидуальные опросы учащихся, которые позволяли выяснить те подробности и особенности овладения учебным материалом, которые невозможно выявить при письменных работах. Большое значение придавалось индивидуальным беседам с учителями физики исследуемых классов, что позволяло не только определить эффективность методики изучения лазеров с помощью компьютерных технологий, но и находить более рациональные подходы и приемы при изучении определенных вопросов данного раздела физики.
Педагогический эксперимент осуществлялся в период с 2004 по 2008 гг. в школах № 3, 4, 43, 52 города Рязани и Рязанском государственном университете имени С.А. Есенина. Эксперимент проводился соискателем, учителями и студентами. Основной целью педагогического эксперимента являлось подтверждение гипотезы исследования. Эксперимент проводился в три этапа.
Констатирующий эксперимент отвечает на вопросы: «Что есть или что не устраивает в изучаемом предмете, предлагаемой для апробации инновационной методике? Соответствуют ли адекватно решению педагогической проблемы комплекс предлагаемых методов, формы организации учебного процесса, внедряемые педагогические технологии».
На стадии констатирующего эксперимента основной целью является определение (констатация) начального уровня всех параметров и факторов, которые подлежат отслеживанию в эксперименте. Проводится изучение начального состояния педагогической системы, выясняется уровень знаний и умений учащихся.
Традиционная методика изучения оптических квантовых генераторов рассчитанная на 2-3 урока не позволяет сформировать у учащихся необходимые базовые знания по лазерам. Для проверки этого нами было протестировано более 20 учителей и 400 учащихся школ г. Рязани и области. Ниже приводится один из вариантов заданий для учащихся
1. Какое излучение называют индуцированным?
2. Чем отличается вынужденное излучение от спонтанного?
3. В чем заключается усиление света?
4. Назовите области применения лазеров.
5. Какой источник излучения называют лазером?
6. Какое состояние электрона в атоме называют метастабильным?
7. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.
8. Какова роль резонатора в лазере?
9. Кратко сформулируйте условия, необходимые для создания источника когерентного света.
10. Что такое активная среда?
11. Какие типы лазеров вы знаете?
12. Что означает слово "лазер"?
13. Что такое когренетность?
14. В чем принципиальное отличие рубинового лазера от гелий-неонового?
15. Нарисуйте различные распределения энергии лазера в поперечном сечении и укажите соответствующие индексы?
Анализ полученных ответов позволяет сделать вывод, что более 70% опрошенных не дали верных ответов даже на треть поставленных вопросов.
В ходе констатирующего этапа эксперимента были определены противоречия, которые определили тему исследования, ее актуальность и главные направления работы. Основной целью этого этапа являлось выяснение положительных и отрицательных сторон традиционной методики изучения лазеров в средней школе. На этом же этапе рассматривалось существующее традиционное и современное учебное оборудование, исследовались возможности - использования современных компьютерных технологий в учебном эксперименте. На основе бесед, наблюдений, анкетирования, анализа успеваемости, выявлены проблемы, связанные с необходимостью совершенствования методики изучения лазеров в школе, на основе имеющихся средств обучения, опираясь на подходы связанные с использованием современных компьютерных технологий.
