Педагогические основы создания демонстрационного физического эксперимента при изучении колебательных и волновых процессов Молотков, Николай Яковлевич

Введение к работе

В решениях Всесоюзного съезда работников народного образо-' зания отмечается существенное отставание развития учебной материально - технической базы высшей к средней школы. Существующие технические средства обучения непрерывной системы образования еще не в полной мере отвечают уровню развития науки и техники, современным требованиям, предъявляемым к ним,- Необходимость современных технических средств в обучении физике отмечается ведущими учеными (В.-А.Фабрикант, Н.Н.Малов, Н.И.КалитеевскиЯ, А.Н.Матвеев, В.Г.Разумовский, А.А.Покровский, Н.М.Іііахмаев, А.А.Пинский, БЛІІ.Перкальскис, Ю.И.Дик, О.З.Кабардин, Л .-И .Анциферов и др.-»)-.

Актуальность выбора темы исследования определяется отставанием развития демонстрационного физического эксперимента (ДСЭ) в системе народного образования по сравнению с возросшим теоретическим уровнем преподавания физики, потребностью создания и разработки качественно нового учебного оборудования, соответствующего современному уровню развития науки и техники, требованиям, предъявляемым к нему, необходимостью дальнейшего совершенствования содержания и продуктивных кетодоь обучения физике в средней и высшей школе. Тема исследования актуальна и с точки зрения дальнейшего совершенствования методики преподавания широкого класса колебательных и волновых процессов в непрерывной система образования,-

Создание системы современного ДОЭ, разработка принципов его конструирования и методики его использования "в реальном учебном процессе, направленном на достижение высокопродуктивной творческой деятельности обучаемых, может квалифицироваться как решение фундаментальной научной щзоблемы, имеющей ванное социально -культурное значение;

Цель_исследования состоит в повышении педагогической эффективности учебного процесса по физике в средней и высшей школе на основе дальнейшего развития методов и принципов обучения в условиях широкого использования качественно нового современного демонстрационного фиэичнского эксперимента,-

В основу исследования положена следующая гипотеза:Если разработать и внедрить в учебный процесс научно обоснованную, логически стройную и достаточно полную систему качественно нового

_ 2 -

современного ДФЭ, го ото повлияет не только на подготовку учащихся и студентов к дальнейшей профессиональной деятельности'в области естествознания и техники, повышение компетентности и естественно - научной квалификации будуючих специалистов народного хозяйства, но и позволит на основе совершенствования продуктивных методов обучения развивать творческие способности, способствовать достижению высокопродуктивной творческой деятельности обучаемых,-

Объектом исследования является учебно - познавательный процесс по физике в непрерывной системе образования, неотъемлемой частьс которого является демонстрационный физический эксперимент.' Предметом исследования является демонстрационный физический эксперимент при изучении колебательных и волновых процессов различной природы в средней и высшей школе. Задачи_исследования:

I). Выявить основную методологическую роль демонстрационного физического эксперимента в учебно - познавательном процессе» Рассматривая Д0 как педагогическую категорию, на основе системного анализа определить его дидактический статус. Дать анализ основных педагогических функций ДОЭ в учебно - воспитательном процессе?

2).' Углубить представление об основных общедидактических принципах обучения: наглядности, преемственности и систематичности,- Наметить пути создания нового ДФЭ, удовлетверяющего общедидактическим принципам обучения в их современной трактовке,-

3),' Выявить возможности совершенствования продуктивных методов обучения в целях развития творческих способностей и достижения высокопродуктивной творческой деятельности обучаемых в условиях использования сложного ДФЗї

ч). На основе анализа требований у учебному эксперименту по физике и тенденций его развития определить основные направления создания нового современного ДФЭ,- На базе достижений науки и техники разработать логически стройную и достаточно полную систему качественно нового демонстрационного физического эксперимента для изучения колебательных и волновых процессов различной природы в системе непрерывного образования. Разработать научно обоснованную современную методику изучения основных вопросов теории колебаний и волн в средней и высшей школе на базе нового оборудо-

_ з -

вания и технических средств.

5). Виявить педагогическую эффективность нового физического эксперимента в совершенствовании методики преподавания колебательных и волновых процессов, в средней и высшей школе.

Методологической основой исследования является теория научного познания, опирающаяся на принципы диалектической логики как метода научного познания реальной действительности.

В качестве психолого - дидактической основы исследования выступает психологическая теория деятелыюстного подхода к обучении и теория развивающегося обучения. Работа опирается на теоретические труды крупнейших психологов - Б.Г.Ананьева, Л.С.Выготского, П.Я.Гальперина, А.Н.Леонтьева, С.Л.Рубинштейна, А.Ф.Эсаулова и дидакгов - Ю.К.Бабанского, И.Я.Лернера, Н.М.Скаткина, А.Я.Зориной.

Для решения поставленных задач используются следующие методы и средства научного исследования:

1. Теоретический - изучение трудов современных философов и физиков по методологии научного познания; изучение литературы по психологии, педагогике и методике обучения физике в средней и высшей школе; изучение учебных программ, учебников и учебных пособий по физике для средней и высшей школы; изучение и анализ научной литературы по теории колебаний и волн.

2. Экспериментальный - прогнозирование и организация процесса обучения на основе использования нового оборудования и технических средств демонстрационного эксперимента; наблюдение за ходом педагогического процесса обучения, анкетирование, проведение пробного и опытного обучения, проведение педагогического эксперимента и его анализ. Экспериментальное исследование сложных закономерностей колебательных и волновых процессов на основе использования современных технических средств и методов научного исследования.

3. Конструирование - проектирование, разработка, изготовление, наладка и проверка нового оборудования и приборов для демонстрационных опытов по физике для средней и высшей ШКОЛЫ.'

Научная новизна исследования состоит в следующем: I. Выявляется основная методологическая роль ДІЄ в учебно -познавательном процессе. На основе системного анализа вскрывает-

_ ч -

ся компонентный состав ДФЭ как функционирующей педагогической категории и определяется его дидактический статус. Углубляется представление о общедидактических принципах обучения: наглядности, преемственности и систематичности.¹

2. Выявляются и анализируются основные педагогические функции Д0 в учебно - воспитательной процессе средней и шешей ШКОЛЫ.' Показана возможность совершенствования продуктивных методов обучения в условиях использования сложного ДМ для развития мышления, творческих способностей и достияения высокопродуктивной творческой деятельности обучаемых.

3. На основе достижений научно - технического прогресса разработана логически стройная и достаточію полная система качественно нового современного демонстрационного физического эксперимента для изучения широкого класса колебательных и волновых процессов различной природи в непрерывной системе образования,

4;' Исследуется ряд физических явлений, которые нс получили широкого применения в обучении: влияние положительной и отрицательной обратной связи на собственные колебания в контуре; интерференция волн с эллиптическими или круговыми поляризациями; нахождение на основе теории дифракции формы поверхности соб-прающей линзы, не обладающей сферической аберрацией; учет многолучевой интерференции при доказательстве закона Вульфа - Броггов; прохождение волн через оптически неоднородные приборы - призмы, линзы и плоскопаралдельше пластинки; фокусирующие и рассеивав-сцие системы с переменным показателен преломления; свойства комбинации фазовых двоякопреломляюцих пластинок.'

5.- Поставлен ряд опытов, которые не получили широкого распространения или ранее не демонстрировались в лекционных условиях? временные и фазовые характеристики различных механических кслебателышх процессов, наблюдаемых на экране осциллографа? сложение нескольких когерентных колебаний, фазы которых образуют арифметическую прогрессию; фазовые соотношения иекду скоростью и внешней периодической силой при выиукделшх колебаниях; опыт Араго и Френеля по интерференции поляризованных вели; образование коноскопичееких интерференционных фигур в одноосных кристаллах в радиодиапазоне электромагнитных волн (опыт Бозе); обобщенный аС-фект Доплера - Іїкхєльсоиа; опыт Фабри и Саньяка по доказательству изменения фазы волны на протквоположнуи при прохождении фокуса

„ 5 -

линзы; дифракция света па дополнительных экранах (принцип Бабине); оптический аналог туннельного эффекта; дифракция волн на фазовой дифракционной решетке; опыты по иллюстрации основных методов и принципов рентгеносгруктурного анализа в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн.

б.- Разработаны конкретные рекомендации по совершенствованию методики изучения широкого класса достаточно сложных вопросов теории колебаний и волн на основе нового современного ДФЭ в средней школе, сколах с углубленным изучением физики и в высших учебных заведениях, включая педагогические вузы и высшие воєнно - учебные, заведения.

Теоретическая значимость исследования состоит в определении методологической роли, статуса и педагогических функций демонстрационного физического эксперимента; в углублении представлений об основных общедидактических принципах обучения - наглядности, преемственности и систематичности; в совершенствовании продуктивных методов обучения в условиях широкого и разнообразного применения нового ДЯЗ при изучении колебательных и еолноеых процессов.

Пактическая_значииость исследования заключается в создании достаточно полной и логически стройной системы качественно нового современного оборудования и приборов для изучения колебательных и волновых процессов различной природы; в разработке научно обоснованной методики изучения основных вопросов теории колебаний и волн, изучаемых в средней школе, школах с углубленным изучением физики и в высших учебных заведениях. Практическим достоинством разработанных экспериментальных методик, технических средств и демонстрационных опытов являемся доступность их использования и воспроизведения силами и средствами физических кабинетов вузов и средних пкол.

Достоверность результаті Я) исследования подтверждается опытным преподаванием и проведенным педагогическим экспериментом, эффективность нового ДФЭ и экспериментальных методик ппдтверкдпнтся. такте результатами их использования в ряде витиях учебных лапплиниях и средних школах.

На_защиту_ выносится:

I. Основные направлении разработки и создания комплексного демонстрационного физического эксперимента для изучения ко.пе'іп-телыих и волновых процессол в средней и выпг.тй школе, учи тип по-

- б -

щие достижения научно - технического прогресса, требования к современному Д0 и тенденции его развития.

2. Логически стройная и достаточно полная система качествен
но нового современного ДЙ5 для изучения теории колебаний и волн
различной природы, которая совместно с традиционными техническими
средствами образует целостную (интегративную) систему демонстра
ционного эксперимента, обеспечивающую единый подход к изучению
теории колебаний и волн в школах с углубленным изучением физики

и вузах. Система нового ДФЗ включает в себя: комплект приборов для изучения механических свободных, вынужденных, связанных колебаний и автоколебаний на основе электрических методов измерения неэлектрических величин; комплект приборов для изучения сложения колебаний различной природы и гармонического анализа сложных электрических сигналов; дискретная периодическая структура для изучения механических волновых процессов; комплект приборов для исследования основных свойств электромагнитных волн в дециметровом и сантиметровом диапазонах; комплект приборов для изучения геометрической и волновой оптики в двух диапазонах электромагнитных волн (оптическом и радиофизическом); комплект приборов для изучения основных вопросов кристаллооптики, рентгеноструктурлого анализа и обобщенного эффекта Доплера в сантиметровом диапазоне электромагнитных волн.

3. Применение нового ДЇ0 для совершенствования продуктивных
методов обучения в целях развития творческих способностей и дос
тижения высокопродуктивной творческой деятельности на основе ис
следовательских и конструкторских проблем, отражающих противоре
чия базисной науки.

4. Научно обоснованная методика изучения теории колебаний
и волн на основе качественно нового современного ДФЭ, которая
включает в себя основные вопросы программ по физике средних школ,
школ с углубленным изучением физики и высших учебных заведений,
включая педагогические вузы и высшие воєнно - учебные заведения,
т.е. методика изучения следующих вопросов: свободные, вынужден
ные и связанные колебания; сложение колебаний различной природы;
автоколебания; слокные закономерности гармонического анализа
электрических сигналов; физические основы ЭЦВМ; механические
ro.ivcBue процессы; осгоггае свойства электромагнитных г ел к; гн-
теріеро.чци.ч, дифракция и поляризация; крисгаллесг.ткг.;.; гт.ілте;:.с-

структурний анализ; обобщенный эффект Доплера - Мнхельсона.'

Внедрение и_ апобация_ результатов работы. Новые демонстра-циошше опити и экспериментальные методики используются на протя-нении многих лет в учебном процессе Хмельницкого высшего артиллерийского командного училища, а также внедрены в учебный процесс Московского педагогического государственного университета имени В.И.Ленина, Томского и Чувашского университетов, Киевского, Гер-нополького, Свердловского, Череповецкого, Комсомольского * на -Дцуре педагогических институтов, высшие воєнно - учебные заведения з г. Харькове, Нпннем Новгороде, Ярославле, Орле. Реиением научно - методической комиссия по физике при ГУ ВУЗ МО СССР система нового демонстрационного эксперимента рекомендована к внедрению в учебный процесс кафедр физики воєнно - учебных заведений Министерства обороны. Основные результаты работы опубликованы в издающих организациях, в научных изданиях которых могут публиковаться материалы, включаемые в докторские диссертации. По тепе исследования опубликовано более 50 научно - методических статей и два учебных пособия:

1. Радиоволны в демонстрационном эксперименте по оптике. -Киев: Вица школа, 1981. - 104 с.

2. Изучение колебаний на основе современного эксперимента: Пособие для учителей. - Киев: Радянська школа, 1986. - 160 с.

Результаты работы докладывались:

3. В Лаборатории обучения физике НИИ Си!О АПН СССР (1985);

4. На ХП Всесоюзном теоретическом семинаре "Мировоззрение и научное познание" Института философии АН УССР, Луцк (1989);

5. На Всесоюзном семинаре преподавателей физики высших артиллерийских командных училищ Faicetiuix войск и артиллерии Сухопутных войск, Тбилиси (1985);

'и На заседании Президиума научно - методической комиссии по физике при ГУ ВУЗ Министерства обороны СССР, Москва (1989);

5'. На Пленарном заседании научно - і-чгас~,глє-';'С . ко-шс<иш но физике при ГУ ВУЗ МО СССР, Хмельницкий (1990);

6,- На научно ч методических семинарах по проблемам методики преподавания физики Киевского государственного педагогического института им. Л.М.Горького (1976, 1970, [900, 19Ю, !№'>, 19ПП);

7. На мепзузовской научно - методической конференции " х.чПл-

ровском государственном педагогическом институте (1969);

8. На Зональных научно - методических конференциях преподавателей физики педагогических вузов Урала, Сибири и Дальнего Востока d Перми (1968), Магнитогорске (1972), Кургане (1973);

9. На межвузовской научно - практической конференции в Каменец - Подольском (1986);

10. На межвузовских научно - методических конференциях в Ко
ломенском ВАКУ (1989), Казанском ВВЛКУ (1990);

II.¹ На межвузовских научно - методических конференциях в Хмельницком ВАКУ (1979, 1981, 1983, 1985).

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и прил^кения.