Содержание к диссертации
Введение
1. Научно-методические основы и психолого-педагогические особенности изучения вопросов физики твёрдого тела в средней школе ...12
1.1. Исторический анализ методической литературы и современное состояние проблемы преподавания основ физики твёрдого тела 12
1.2. Психолого-педагогические особенности преподавания современной физики... 19
1.3. Теоретические основы методики использования компьютерных моделей при изучений физики 28
2. Элементы физики твёрдого тела: основы квантовой статистики и зонной теории 36
3. Методика преподавания темы "Электронные свойства твёрдых тел" в средней школе 57
3.1. Методическое обоснование выбранной структуры темы 57
3.2. Методический анализ раздела "Квантовая статистика электронного газа" 63
3.2.1. Вопросы квантовой статистики - фундамент изучаемой темы 64
3.2.2. Методические рекомендации по изучению некоторых вопросов раздела 82
3.2.3. УКМ "Распределение Ферми-Дирака" 87
3.3. Методический анализ раздела "Элементы зонной теории" ...,,..,... 89
3.4. Методический анализ раздела
'Электронные свойства металлов 100
3.4.1. Использование компьютерного моделирования при повторении классической электронной теории и её недостатков 100
3.4.2. Основы квантовой электронной теории металлов 105
3.4.3. Методические рекомендации по изучению некоторых вопросов раздела 120
3.5. Методический анализ раздела "Электронные свойства полупроводников" 122
3.5.1. Полупроводники с позиций зонной теории твёрдых тел 123
3.5.2. Применение УКМ при изучении электропроводности полупроводников 131
3.5.3. Зонная схема р-n перехода 134
3.5.4. Демонстрационные компьютерные модели при изучении вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов 140
3.6. Некоторые вопросы организации закрепления и контроля усвоения изучаемого материала 142
3.6.1. Создание УКМ как форма закрепления материала 143
3.6.2. Решение задач по теме 144
4. Экспериментальная проверка эффективности обучения но теме "Электронные свойства твёрдых тел" на основе квантовой теории 152
4.1. Констатирующий эксперимент 152
4.2. Формирующий эксперимент 158
4.3. Контрольный эксперимент 160
ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 167
БИБЛИОГРАФИЯ ..169
ПРИЛОЖЕНИЯ... 179
- Исторический анализ методической литературы и современное состояние проблемы преподавания основ физики твёрдого тела
- Элементы физики твёрдого тела: основы квантовой статистики и зонной теории
- Методическое обоснование выбранной структуры темы
- Констатирующий эксперимент
Введение к работе
Система школьного образования в нашей стране переживает сегодня переломный этап своего развития; идет ее интенсивное реформирование по всем направлениям - от пересмотра целей и задач обучения в целом до изменения содержания и методик изложения конкретных предметов. Это обусловлено целым рядом факторов социального и педагогического характера, среди которых необходимо выделить: во-первых, коренное изменение ценностных ориентиров общества, предъявляющих школе новые требования; во-вторых, ускорение темпов научно-технического прогресса», постоянно увеличивающего объем знаний, подлежащих усвоению за период обучения.
Действительно, включение в содержание курса физики новой информации, отражающей последние достижения науки, может привести к перегрузке учащихся, следствием чего будут являться потеря интереса к предмету и замедление процесса развития школьников. С другой стороны, отказ от изучения современных научных достижений недопустим, так как ведет к нарушению принципа научности обучения, снижению качества знаний. И это противоречие с дальнейшим научно-техническим развитием общества будет все более обостряться.
Дополнительную остроту в эту проблему вносят наметившиеся в последнее время коренные изменения в общественном сознании, которые обусловили выдвижение идеи гуманизации обучения, ориентирующей систему среднего образования на формирование личности учащегося, его нравственного и интеллектуального потенциала. При общей важности и полезности этого процесса для школы, нельзя не отметить негативную тенденцию выхолащивания естественно-научного знания из школьных программ.
Под предлогом гуманизации образования проходит его гуманитаризация, сокращаются программы по предметам естественнонаучного профиля, в том числе идет "... планомерное уменьшение составляющей физического образования в учебном плане школы. Так, если в 1968/69 учебном году на изучение курсов физики и астрономии отводилось 610 ч., то к 1990/91 учебному году стадо отводиться только 527 ч.м [63].
Наиболее перспективное направление развития школьного образования в свете данных проблем - его дифференциация, которая является характерной чертой систем образования США и стран Западной Европы [2, 50, 90]. Под дифференциацией обучения физике мы понимаем четкое разделение задачи общего физического образования, в котором нуждается большинство людей современного индустриального общества, и задачи подготовки научно-технической элиты, которая должна обладать обширными знаниями в области физики. Традиционное содержание курса физики в средней школе, с одной стороны, не представляет особой ценности с точки зрения общего физического образования, с другой -некоторые вопросы науки, имеющие большую значимость для формирования творчески мыслящей личности, представлены слабо и неадекватно научному знанию или же вообще не представлены. Первым шагом к разрешению данного противоречия стало появление разнопрофильных программ по физике различных авторских коллективов, которые охватывают практически весь спектр классов и школ: от гуманитарных до физико-математических [89]. Однако практическое внедрение этих программ сдерживается отсутствием соответствующих им учебных пособий и методических разработок. Наше исследование было направлено на совершенствование методики преподавания одной из важнейших, на наш взгляд* тем курса - основ физики твердого тела - в рамках про- граммы для школ с углубленным изучением физики, разработанной Е.И.Бутиковым, А.А,Быковым, АСКондратьевым [102].
Необходимо, однако, отметить, что предлагаемые в данной работе основные подходы к изучению рассматриваемой темы могут быть представлены в школьном курсе физики вне зависимости от профиля класса. Конечно, объем фактического материала^ используемый математический аппарат и некоторые другие элементы методики преподавания данной темы в классах разного профиля будут отличаться, но основные идеи и принципы современной физики, по нашему мнению, могут и должны доступно излагаться в любом классе.
Несмотря на почти вековую традицию "новой физики", школьный курс остается, в основномя классическим. Этот бесспорный факт имеет под собой объективные предпосылки, некоторые из которых будут рассмотрены в нашем исследовании, но он же служит и стимулом для совершенствования программ по физике. Одним из важнейших направлений здесь является должное представление в программе вопросов квантовой физики, а также ряда тем, адекватное изложение которых основывается на кванто-вофизическом описании явлений. Ведущее место среди них занимает физика твердого тела (ФТТ), которая во второй половине XX века приобрела огромное практическое значение в науке, технике и повседневной жизни.
Важная роль, которую играют исследования в области ФТТ в современном мире, закладывая широкие возможности для формирования познавательного интереса учащихся к данной теме, требует адекватности изучаемого материала современным достижениям науки. Вопросы преподавания ФТТ в средней школе неоднократно находили отражение в методической литературе [16, 23, 33, 36, 67, 91], Формированию современных представлений о структуре и свойствах твердых тел в средней школе посвящено немало диссер-тационных исследований [20, 28, 34, 42, 47, 649 68, 74, 75, 85, 95, 98,108]. Однако, проведенный в главе 1 анализ этих работ позволяет сделать вывод о том, что, в большинстве своем, они были направлены на совершенствование существовавших школьных программ, которые, по мнению многих авторов, не предоставляли возможности изложить основы ФТТ в школе адекватно современному научному уровню, Сегодня, с появлением качественно новых по структуре программ есть возможность решить эту проблему^ на что и направлено данное исследование.
Наиболее интересным и практически важным вопросом ФТТ, не получившим должного представления в методической литературе и в школьном курсе физики, мы считаем квантовую электронную теорию твердого тела. Квантовая электронная теория твердого тела - это; одна из важнейших составных частей ФТТ, которая может быть изложена в школьном курсе физики достаточно адекватно научному уровню; теория, дающая возможность наглядно продемонстрировать основы квантовой статистики, обобщая таким образом квантовую и статистическую идеи; основа современного этапа научно-технического прогресса общества; теория, определяющая физические принципы работы многочисленных радиоэлектронных устройств, применяемых в повседневной жизни каждым человеком.
Таким образом, актуальность исследования на современном этапе обусловлена социальной потребностью в элементах образования, отражающих важнейшие достижения современной науки адекватно возрастным и индивидуальным способностям учащихся, ориентированных на углубленное изучение физики; необходимостью дальнейшей разработки и совершенствования методики изложения электронных свойств твердых тел в курсе физики средней школы.
Объектом исследования является процесс обучения основам физики твердого тела в школьном курсе.
Предмет исследования составляет содержание и методика изложения квантовой электронной теории твердого тела в средней школе с углубленным изучением физики.
Цель исследования - совершенствование содержания школьного физического образования за счет изучения темы "Электронные свойства твердых тел" на основе квантовых представлений о строений вещества; разработка методики изложения данной темы.
В основу исследования положена гипотеза: целенаправленный отбор элементов ФТТ и соответствующего математического аппарата, разработанная методика темы и ее компьютерное обеспечение позволят адекватно изложить свойства твердых тел, определяемые поведением электронного коллектива, в курсе физики средней школы, что приведет к повышению качества знаний учащихся.
В процессе исследования и проверки гипотезы решались следующие задачи:
1. изучение современного состояния проблемы преподавания эле ментов ФТТ в средней школе; обоснование необходимости изучения электронных свойств твердых тел на основе квантовой статистики и зонной теории; отбор фактического материала по ФТТ и его адаптация к школьному курсу; анализ методики изложения данной темы; создание пакета прикладных программ по теме;
6, исследование вопроса о влиянии разработанной методики обучения на качество знаний учащихся в ходе педагогического эксперимента.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: анализ физико-математической, философской, психолого-педагогической и методической литературы, диссертаций, а также программ и учебной литературы по физике; анализ устных ответов и письменных работ учащихся и их статистическая обработка, анкетирование учащихся; интервьюирование и анкетирование учителей; обсуждение результатов исследования на научно-педагогических конференциях.
Методологической основой исследования явились всеобщие законы диалектики, методология физики и дидактики, теоретические работы известных физиков, педагогов, психологов, методистов.
Достоверность й обоснованность результатов исследования обеспечиваются: всесторонним анализом литературы по проблеме исследования; использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам; - положительными результатами педагогического эксперимента, проводившегося с 1992 по 1996 год.
Научная новизна результатов заключается в том, что в отличие от предыдущих исследований по данной тематике, предлагавших изучение электронных свойств твердых тел строить на основе внутренне противоречивого сочетания классической электронной теории и элементов зонной теории твердого тела, в работе предлагается обоснованная методика изложения данной темы на основе последовательного использования положений квантовой электронной теории. - 10 ш
Теоретическое значение исследования заключается: в разработке нового современного подхода к методике преподавания электронных свойств твердых тел, позволяющего сочетать Б школьном курсе дидактические принципы научности и доступности материала; в определении критериев и условий эффективности предлагаемой методики.
Практическое значение работы состоит в том, что сформулированные в иооледовании теоретические выводы доведены до уровня конкретных методических разработок и рекомендаций по изложению материала, позволяющих практически осуществить обучение по разработанной методике, которая может быть использована как учителями школ с углубленным изучением физики8 так и учителями общеобразовательных средних школ для организации факультативных занятий.
Апробация результатов исследования осуществлялась в средней школе № 53 Приморского района г, Санкт-Петербурга о 1992 по 1996 год. Теоретические выводы работы докладывались автором и обсуждались на Герценовских чтениях (г, Санкт-Петербург, 1993-1995 гг.).
В результате проведенного исследования на защту выносятся следующие положения: требования повышения эффективности обучения и качества знаний по физике в условиях дифференциации образования и приведения содержания преподавания в соответствие с достижениями современной науки делают необходимым, а разработанная нами методика делает возможным строить изучение электронных свойств твердых тел в средней школе на основе законов квантовой статистики и зонной теории твердых тел; эффективность изучения темы может быть существенно новы- шена при выполнении следующих рекомендаций: - пропедевтика данной темы должна включать в себя изучение о» нов квантовой и статистической физика, что выдвигает соответст вующие требования к программе курса физики; логика построения темы определяется последовательным рас» смотрением квантовой статистики электронного газа и зонной теории твердых тел, на основе которых получают адекватное описание электронные свойства металлов и пол>тіроводнвков; важнейшим средством изучения и закрепления материала по теме должно стать использование учебных компьютерных моделей.
Диссертация состоит из введение четырех главэ заключения, библиографии и приложения; содержит 178 страниц основного машинописного текста, 57 рисунков, б таблиц.
Во введении обосновывается выбор темы, актуальность проблемы и цель исследования, определены его объект и предмет, сформулированы рабочая гипотеза, задачи и методы исследования, показаны его научная новизна, теоретическое и практическое значение, приведены основные положения исследования, которые выносятся на защиту, показана структура и основное содержание диссертации.
В 1-ой главе проводится анализ методической, психолого-педагогической и философской литературы. На его основании делается вывод о перспективности данного исследования, а также рассматриваются важнейшие методические и психолого-педагогические проблемы, связанные с преподаванием квантовой ФТТ в средней школе; формирование современного научного стиля мышления учащихся, '^наглядность" современной физики и ее влияние на школьный курс, развитие познавательного интереса учащихся посредством изучения радиоэлектронных устройств, поиск адекватного математического аппарата, формы использования персональных компьютеров при изучении темы.
Во 2-ой главе в сжатом виде излагаются вопросы ФТТ, которые мы посчитали возможным адаптировать в школьный курс в рамках рассматриваемой темы.
В 3-ей главе предлагается конкретная методика изложения в школьном курсе физики электронных свойств твердых тел: апробированный в ходе педагогического эксперимента фактический материал по теме, частные и общие методические рекомендаций по его изучению, методика работы с компьютерными моделями.
В 4-ую главу включены содержание и результаты констатирующего, формирующего и контрольного экспериментов „ которые проводились о целью обоснования и подтверждения выдвинутых в диссертация теоретических положений.
Диссертация заканчивается краткими выводами.
Исторический анализ методической литературы и современное состояние проблемы преподавания основ физики твёрдого тела
Традиционная школьная физика второй ступени (программа, разработанная институтом общеобразовательной школы РАО [101] и подкрепленная наиболее распространенными в школе учебными пособиями [485 80, 81]) включает четыре основных раздела.: механику, молекулярную физкку, электродинамику и кванте-вую физику, причем содержание первых трех разделов отнооигоя к достижениям физики XVH-XIX веков. Успехи современной науки трудом пробивают себе дорогу, главным образом в "Элементах теории относительности", которые предлагается освоить за 4 часа, и "Квантовой физике", в которой большинство основных квантовых идей и пркнципоБ просто не излагается.
Конечно, между открытием в науке и его представлением на школьном уровне должен существовать и существует временной интервал, достаточный для научного осмысления открытия, включения его в стройную систему физической теории, а также создания методических разработок по его изучению в средней школе. Для квантовой теории твердых тел, появившейся в конце 20-х -начале 30-х годов,, этот интервал занял около 30 лет. Хотя уже в 1937 году академик А.Ф.Иоффе писал о школьном курсе физики: "Я считаю основным недостатком программы отсутствие современной физики и ее практических приложений" [68], - полагая необходимым излагать в школе механизм электрического тока в металлах и диэлектриках. Тем не менее» в 1938 году из программы были исключены вопросы о природе электрического тока в металлах как малодоступные, и лишь в 1948 году этот раздел вновь появился Б программе; в 1963 году в ней были представлены и электрические свойства полупроводников. Вышеперечисленные вопросы излагались на основе классической электронной теории.
Впервые вопрос о квантовом описании свойств твердых тел в школьном курсе физики по существу был поставлен лишь в 60»ые годы, Во многом, это было вызвано "тюст-спутниковской" реформой образования, связанной с необходимостью приведения содер» жания школьных курсов в соответствие с уровнем развития науки и технологии.
В русле решения задачи повышения научного уровня школьной физики появились исследования Б области преподавания основ ФТТ в средней школе. Большинство из них было посвящено изучению механических и тепловых свойств твердых тел во взаимосвязи с их кристаллической структурой [А.Л.Егоров - Зб? Г.Б.Куперман - 67, Ф.Г\Масный - 75, И.И.Подгорнова - 85]. В ряде работ [В.А.Буров - 16, ГИЛ.Гатауллин - 23, И.Я.Ланина - 68] рассматриваются электрические свойства металлов и полупроводников, при этом отмечается необходимость при изучении этих вопросов использовать основы зонной теории твердых тел.
К.Я.Панина [68], рассматривая методику изложения вопросов электропроводности металлов и полупроводников в средней БЖО» ле, предлагает для качественного усвоения материала использовать исторический подход к введению понятий зонной теории: от классической электронной теории через изучение ее недостатков. Рассмотрев образование энергетических зон в кристалле и введя понятия "заполненная зона", "запрещенная зона" и "зона проводи-мости", предлагается последовательно изложить с помощью электрифицированной модели энергетической схемы кристалла вопросы классификации твердых тел на металлы, изоляторы и полупроводники, механизм электропроводности в металлах, собственных и примесных полупроводниках, температурную зависимость их сопротивления. При этом отмечается, что для более эффективного усвоения рассматриваемых вопросов структура курса должна быть изменена.
Элементы физики твёрдого тела: основы квантовой статистики и зонной теории
Научный подход к изложению того или иного вопроса в шк ле требует внимательного рассмотрения современного состояв физики по теме исследования, который был проведен нами на о= нове анализа учебной литературы по ФТТ [5, б, 19, 27, 37, 41 в 49, 99].
Необходимо отметить, что со второй половины XX века ФТТ заняла доминирующую позицию в неуке-физике: около половины физиков мира работают в области ФТТ, почти половина всех шумных физических публикаций относится к исследованию твердых тел. ФТТ - источник новых материалов, новые физические идеи, рождающиеся в ФТТ, проникают в ядерную физику, астрофизику биофизику и другие области науки [104].
Накопление и систематизация данных о мздфоскопических свойствах твердых тел начались с XVII века и развивались по двум основным направлениям. С одной стороны, теория упругости, для которой характерно представление о твердом теле как о сплошной среде; с другой - теория кристаллической решетки, рассматривающая твердое тело как совокупность упорядоченно расположенных в пространстве атомов, удерживаемых около положения равновесия силами взаимодействия.
Сразу же после открытия электрона (Дж.Дж,Томсон5 1897 г.) начала развиваться электронная теория твердых тел, и прежде вое-го металлов (П.Друдеа 1900г.; Х.А.Лорентц, 1904 г.). Согласно этой теории, в металлах валентные электроны не связаны с кон» кретными атомами, а образуют газ свободных электронов, подчиняющийся классическому распределению Максвелла - Больцмана
Физическая научная революция начала XX века, ознаменовавшаяся, в том числе, и появлением квантовой физики, сыграла определяющую роль в развитии ФТТ. Применение методов квантовой механики и квантовой статистики к описанию электронного газа в металлах (А.Зоммсрфельд; ЯМ.Френкель, 1927-28 гг.) при-вело к созданию квантовой теории кинетических явлений в твердом теле. Квантов омеханичеокое рассмотрение влияния периодического поля кристаллической решетки на движение электронов (Ф.Блох; ЛБриллюзн, 1928-34 гг.) позволило создать зонную теорию твердых тел. В 1929 году было введено понятие фонона (И.Е.Тамм), в 1931 году установлена зависимость электрических свойств твердых тел от характера заполнения энергетические зон (А.Вильсон) и т.д. Таким образом, основополагающие открытия, являющиеся базисом современных представлекий о структуре твердых тел, были сделаны в конце 20-х - начале 30-х годов нашего столетия и связаны с рассмотрением твердого тела как макроскопического объекта, состоящего из огромного числа микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой статистики.
Методическое обоснование выбранной структуры темы
Свойства твердых телг во многом, определяются поведением электронного коллектива в них,, а следовательно, законами квантовой физики (электрон - микрочастица) и статистической физики (число электронов очень велико). Поэтому ваяшейшим пропедеів-тическнм требованием к изучению электронных свойств твердых тел является знание учащимися основных идей и принципов квантовой механики и статистической физики. Программа на которую мы опираемся [102], полностью отвечает данному требованию: тему "Электронные свойства твердых тел" предлагается излагать в конце 11 -го класса после изучения следующих разделов курса:
- "Законы микромира. Частицы и волны" (здесь, в частности, pas сматриваются следующие важные для нашей темы вопросы; соотношение неопределенностей ГеЁзенберга, дифракция электронов корпускулярно-волновой дуализм, волны де Бройля);
- "Строение атомов, молекул, кристаллов" (электронные оболочки атомов, принцип Паули, кристаллы и их свойства, типы кристаллических решеток);
- "Основы молекулярно-кинетическоЙ теории" (модель идеального газа, вероятность и статистические распределения, распределение Больцмана, распределение Максвелла).
Как отмечалось в главе 1, в методической литературе сложилась следующая концепция введения понятий квантовой электронной теории твердых тел: от классической электронной теории металлов, через ее недостатки, переходя к элементам зонной теории. Мы видим в данной последовательности изложения вопросов два. существенных недостатка:
1. Переход к квантовой теории твердых тел предлагается осуществлять через определенный класс твердых тел - металлы, которые являются и основным объектом ее приложения. Нам видится боле целесообразным строить изложение электронных свойств твердых тел на основе изучения теоретических основ ФТТ, характерных для большинства (кристаллических) твердых тел, и уже затем от общего двигаться к частному: приложению теории к поведешш электронного газа в металлах и полупроводниках. Именно такой подход (от общего к частному) наиболее приемлем в классах с углубленным изучением физики.
2. Изучение рассматриваемой темы предлагается начинать о элементов зонной теории. Соганшаявъ о важной ролью зонных схш, мы, тем не менее, считаем более логичным предварял» их основами квантовой статистики. При изучении статистики электронного газа практически не рассматриваются новые элементы знания: здесь обобщается уже изученная в квантовой и статистической физике информация, На основе этого обобщения мы можем ввести такие важнейшие понятия, как распределение Ферми-Дирака, энергия Ферми, вырожденный газ, зона Бриллюэна, энергетическая зона, эффективная масса электрона. На таком понятийном базисе последующее изучение зонной теории не будет представлять для учащиеся существенных трудностей. К тому же данная последовательность изложения вопросов латентно обеспечивает исторический подход к изучаемой теме, Действительно, первые шаги Б квантовой теории твердых тел были сделаны А.3оммерфельдом» рассмотревшим поведение вырожденного электронного газа в металле, те, элементы квантовой статистики и лишь затем была решена задача об электронном газе в периодическом поле кристаллической решетки, что привело к появлению зонной теории.
Констатирующий эксперимент
Основной целью констатирующего эксперимента являлось определение состояния обучения электронным свойствам твердых тел Б современной школе, выявление трудностей и недостатков изучения данного раздела физики в имеющихся программа выяснение возможностей повышения эффектнвноотн преподавания исследуемой темы в классах о углубленным изучением физики.
В качестве методов исследования использовались: анализ педагогической, философской и методической пособии и программ по физике; научный и обобщение передового педагогического опыта; наблюдение и анализ уроков при изучении иооледуемой темы; анкетирование учащихся и учителей физики,
2. Практически не вызывает возражения необходимость изучения основ квантовой злевгтронной теории твердых тел в класса Х в где физика является приоритетным предметом (80 % опрошенных).
3. Учителя положительно относятся к применению персональных компьютеров на своих уроках. Важно подчеркнуть, что наибольший процент полоокителькых ответов (96 %), наряду о тривиальными ксмпьютерваши демонстрациям получили моде-лирующие программы, Однако, практическое использование утб-ныж компьютерных моделей (32 %) можно считать недостаточным. Основной причиной этого нам видится плохое качество давшого класса программного обеспечения.
