Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научно-педагогические основы учебного физического эксперимента по электронной оптике 15
1.1. Психолого-педагогические основы построения учебного физического эксперимента 15
1.2. Исследование современного состояния применения электронной оптики в учебном физическом эксперименте 28
1.3. Анализ оснащения учебной физической лаборатории современным оборудованием для проведения учебных экспериментов по электронной оптике 35 Выводы 46
Глава 2. Физико-технические основы разработки учебных физических экспериментов по электронной оптике 49
2.1. Анализ границ применимости и принципов работы технических средств электронной оптики в целях их использования в учебном физическом эксперименте 49
2.2. Устройство технических средств электронной оптики 57
2.3. Исследование возможностей основных современных технических средств электронной оптики - ЭОП и ПЗС - для разработки учебных экспериментов ... 64
Выводы . 74
Глава 3. Методика проведения учебного физического эксперимента с использованием ЭОП и ПЗС ... 75
3.1. Исследование возможностей электронной оптики (на примере электронно-оптического преобразователя) 86
3.1.1. Построение спектральной характеристики ЭОП . 86
3.1.2. Построение амплитудной характеристики ЭОП 90
3.1.3. Наблюдение собственных шумов ЭОП 93
- Психолого-педагогические основы построения учебного физического эксперимента
- Анализ границ применимости и принципов работы технических средств электронной оптики в целях их использования в учебном физическом эксперименте
- Исследование возможностей электронной оптики (на примере электронно-оптического преобразователя)
Введение к работе
Принятая в конце 2001 г. концепция модернизации российской системы образования одним из основных положений содержит требование совершенствования структуры и содержания образования. Меняется отношение государства к образованию - оно становится одним из важнейших приоритетов в его политике. Задача современного образования- не только обеспечить усвоение учащимся определенного объема знаний, но и подготовить его к реальной жизни, позволить овладеть навыками, которые он может использовать вне учебного заведения.
Чтобы сегодняшняя школа не превратилась в «конвейер знаний», который движется со скоростью, не соответствующей возможностям ребенка, с учащихся необходимо снять перегрузку. Но жизнь требует расширения школьной программы: информатика, иностранные языки включаются в программу младших классов. Появляются основы права, экономики, экологии - идет гуманитаризация образования. Выходом из состояния перегрузки является увеличения срока обучения (это мировая тенденция) и введение в старших классах профильного обучения.
Важный акцент делается на дифференциацию образования.
Внешняя дифференциация подразумевает наличие различных
программ по физике - например, в школах общеобразовательного,
гуманитарного, естественнонаучного, физико-математического,
технического и других профилей на учебный предмет «физика» отводится неодинаковое количество часов в неделю, используются разные учебники и задачники, имеется различный технический уровень экспериментального оснащения процесса обучения и т.д.
Внутренняя дифференциация подразумевает постановку и решение задач разного уровня сложности для учащихся различной степени
подготовки внутри учебной группы, которые реализуются путем индивидуализации обучения.
Профильность обучения в старших классах способствует решению задачи профессиональной ориентации школьника.
Обновленная таким образом школа решает важнейшую задачу гуманизации образования - учебное заведение способствует сохранению и укреплению здоровья детей, избавлению их от перегрузки, проведению обучения школьника с учетом его интересов в тесной связи с интересами современного социума.
Настоящее время для страны - время бурного развития и подъема, реформ во многих сферах жизни общества, когда государством востребованы образованные и духовно развитые личности; одновременно это время открытости общества, когда человек не может стоять вдали от прогресса. Мир как бы уменьшается из-за развития глобализма во всех сферах человеческой деятельности и стремительного развития информационных технологий. Объем накопленной человечеством информации растет по экспоненциальному закону, темп научно-технического прогресса увеличивается. Происходит не только резкое возрастание количества информации, приходящейся на каждого члена общества, но и качественное изменение в средствах ее получения, хранения и способах обработки. Становится важен не только базовый объем знаний человека, а и умение добывать недостающую информацию и применять ее в практической деятельности. На это направлено развивающее обучение.
Перед любым образовательным учреждением должны ставиться задачи более широкой подготовки и развития учащегося для перехода от обучения к самостоятельной деятельности. Принятая в 2001 г. в РФ программа компьютеризации городских и поселковых школ - запоздалое решение части проблем подготовки молодых людей к жизни в современном обществе: в развитых странах в систему образования уже
7 давно вошли новейшие информационные технологии, широко
используются медиатеки, дистанционное и Интернет-образование,
обучающие компьютерные программы, электронные учебники и базы
данных [85, 127, 133, 159, 183]. В федеральной целевой программе
«Развитие единой образовательной информационной среды», принятой
Правительством РФ в 2003 г., отмечено, что «состояние информатизации
российской школы можно оценить как неудовлетворительное».
Поэтому мы считаем, что требуется работа, направленная на ликвидацию
отставания, - на устранение разрыва между внедрением в жизнь новых
технологий, оборудования и обучением подрастающего поколения их
использованию. Учащийся должен понимать, что он получит в учебном
заведении не только определенный программой объем знаний, умений и
навыков, но и способность ориентироваться на их основе в современном
сложном мире, опыт работы с новейшим оборудованием, встречающимся в
быту и на производстве.
Таким образом, совершенствование системы образования вынуждает изменять принципы отбора его содержания с целью удовлетворения современным требованиям к уровню знаний и умений учащихся.
Сейчас, как и в любую эпоху, наблюдается противоречие между бурным развитием физики и техники и слабой разработанностью в обучении физических опытов с использованием новейших технических средств, в частности современных приборов электронной оптики.
Из противоречия вытекает проблема недостаточного использования в современном учебном физическом эксперименте новых технических средств, заключающаяся, в частности в отсутствии учебных экспериментов по электронной оптике, которая является актуальной для теории и практики обучения.
Актуальность выбранной темы исследования также определяется:
8 -в связи с увеличивающейся дифференциацией образования -
недостаточностью методических разработок для углубленного изучения
отдельных разделов курса физики, в том числе учебного физического
эксперимента по электронной оптике, который мог бы использоваться в
разном объеме в школах различного профиля, в первую очередь,
физико-математического;
-быстрым развитием новейших технических средств электронной оптики в последние годы и все увеличивающимся применением их в науке, технике и быту, с одной стороны, и практически полным отсутствием изучения их в школе и недостаточным изучением их в общем курсе физики вуза, с другой стороны;
-необходимостью информатизации учебного процесса, и, как следствие, обучение учащихся пониманию принципов работы компьютерных периферийных устройств, построенных на основе электронной оптики (цифровые фото- и видео-камеры, сканеры, web-камеры и т.п.).
Объект исследования - учебный физический эксперимент в курсах физики средней и высшей школы, в системе дополнительного образования.
Предмет исследования - методика подготовки и проведения учебного физического эксперимента на основе применения технических средств электронной оптики.
Цель исследования - научное обоснование и экспериментальная апробация разработанных и усовершенствованных нами учебных физических экспериментов на основе применения технических средств электронной оптики в курсе физики средней школы, системе дополнительного образования и курсе общей физики вуза.
Гипотеза исследования: если в курсах физики средней школы, вуза и системы дополнительного образования применять учебные физические эксперименты, построенные на основе применения технических средств электронной оптики, то:
а) усилится познавательный интерес учащихся к предмету,
б) появится возможность углубленного изучения электронной
оптики в профильных классах,
в) повысится эффективность усвоения учащимися учебного
материала по различным разделам физики,
г) реализуются прикладной характер учебного предмета и прямые и
обратные межпредметные связи курсов физики, информатики, технологии
и др.
Исходя из объекта, предмета, цели и гипотезы исследования, нами решаются следующие задачи исследования:
Провести научно-методический анализ современного состояния применения электронной оптики в учебном физическом эксперименте.
Доказать необходимость и доступность проведения физических экспериментов с использованием электронной оптики в системе обучения физике.
Разработать систему учебных экспериментов по физике на основе применения технических средств электронной оптики.
Предложить методику использования учебного физического эксперимента на основе применения технических средств электронной оптики в средней школе, в системе дополнительного образования и вузе.
Экспериментально доказать эффективность использования современных технических средств электронной оптики в курсе физики средней школы.
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования:
теоретические:
- анализ научной и учебной литературы в рамках темы исследования по философии, психологии, педагогике, физике, методике физики, учебных программ по физике;
- синтез представлений при формировании понятий и условий
применения в УФЭ электронной оптики;
- моделирование физического эксперимента по теме исследования;
-системный подход при разработке учебных физических
экспериментов;
- проектирование методических материалов;
экспериментальные:
создание учебных экспериментальных установок по теме исследования;
обобщение имеющегося практического опыта постановки учебного физического эксперимента;
- разработка системы учебных экспериментов по теме исследования;
-педагогический эксперимент по внедрению полученных
результатов в курсы физики средней и высшей школы.
Научная новизна настоящего исследования заключается в том, что:
-разработаны новые опыты и предложены оригинальные варианты известных учебных экспериментов по электродинамике и квантовой физике курса физики школы, по оптике, квантовой и атомной физике, физике твердого тела курса общей физики вуза на основе использования современных технических средств электронной оптики - электронно-оптического преобразователя изображения (ЭОП) и прибора с зарядовой связью (ПЗС);
-предложена методика использования учебного физического эксперимента по электронной оптике в средней школе, в системе дополнительного образования и вузе.
Теоретическая значимость исследования заключается в построении системы учебных физических экспериментов на основе применения современных технических средств электронной оптики и обосновании необходимости, доступности и эффективности внедрения ее элементов в
курсы физики школы (по разделам электродинамики и квантовой физики) и высшего учебного заведения (по разделам оптики, квантовой и атомной физики, физики твердого тела).
Практическая значимость работы выражается в следующем:
предложены новые и оригинальные варианты известных учебных опытов с использованием электронной оптики по электродинамике и квантовой физике в школе и оптике, физике твердого тела, квантовой оптике и физике атома в вузе;
предложена методика проведения учебного физического эксперимента, благодаря которой учащиеся получают представление об устройстве и принципах работы современных технических средств электронной оптики;
-разработаны и апробированы программы внеурочных занятий по электронной оптике для школьников старших классов;
-результаты исследования используются в лабораторном практикуме и при чтении курса общей физики для студентов вуза [45,46,47,48].
Достоверность и обоснованность исследования обеспечены:
разработкой теоретической базы исследования;
анализом имеющихся исследований в данной области;
-учетом условий применимости в УФЭ технических средств электронной оптики при построении моделей предлагаемых экспериментов;
-проверкой эффективности применения данных моделей и реализацией предложенных экспериментов;
- апробацией результатов исследования педагогическим
экспериментом в средней школе и в системе дополнительного
образования;
- успешным внедрением результатов в учебный процесс вуза.
12 На защиту выносятся:
Обоснование необходимости, доступности и эффективности применения современных технических средств электронной оптики в учебном физическом эксперименте.
Система учебных физических экспериментов на основе использования технических средств электронной оптики.
Методика применения ее в курсе физики школы, на занятиях по физике в системе дополнительного образования и в курсе общей физики вуза.
Результаты исследования докладывались на международных, всероссийских и региональных научно-методических конференциях:
На научной конференции ВГПУ, г. Киров, апрель 2001 г.
На методическом объединении учителей физики г. Кирова, август 2001 г.
На шестой Всероссийской научно-практической конференции «Учебный физический эксперимент», г. Глазов, январь 2001 г.
На научной сессии Кировского филиала Академии Естествознания РФ и Вятского регионального отделения Российской Академии естественных наук, г. Киров, 14-15 ноября 2001 г.
На седьмой Всероссийской конференции «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы. Современные решения», г. Глазов, январь 2002 г.
На 8-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, г. Екатеринбург, 29 марта - 4 апреля 2002 г.
На III Международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» («НТПФ-Ш»), г. Москва, 11-14 марта 2002 г.
На научной конференции ВГПУ, г. Киров, апрель 2002 г.
На 7-й международной конференции стран Содружества «Современный физический практикум», проводившейся Министерством
13 образования РФ и Ассоциацией кафедр физики технических вузов России
под председательством академика РАН Ж. И. Алферова, г. С.-Петербург,
28-30 мая 2002 г.
На IV областной конференции «Информационные технологии в образовании», г. Киров, 25-26 марта 2003 г.
На российско-белорусской научно-теоретической конференции «Становление сознания специалиста: междисциплинарный диалог», г. Киров, 2-4 апреля 2003 г.
Результаты исследования внедрены в практику работы школ, Центра детского и юношеского творчества г. Кирова, кафедры общетехнических наук Глазовского филиала Ижевского государственного технического университета.
Автором осуществлено 36 публикаций, в том числе по теме диссертационного исследования 14 публикаций [40, 43-52, 62-64], из них статей -11, тезисов докладов - 3.
Диссертация подводит итог восьмилетней работе автора, осуществлявшейся на базе межвузовской лаборатории физической электроники ВятГГУ.
Цель и задачи исследования определили структуру построения диссертации.
В первой главе рассматриваются научно-методические основы учебного физического эксперимента по электронной оптике, современное состояние использования технических средств электронной оптики в средней школе и вузе и делается вывод о необходимости разработки новых учебных экспериментов по теме исследования.
Вторая глава описывает строение и принцип действия электронно-оптических приборов, их виды и характеристики. Из всех технических средств электронной оптики выделяются ПЗС и ЭОП как современные и широко используемые в науке и технике.
14 Третья глава содержит описание системы из шести серий
экспериментов, основанных на применении технических средств
электронной оптики. Приводятся разработанные нами 23 новых и
оригинальных вариантов известных экспериментов по оптике, квантовой и
ядерной физике, электродинамике, физике твердого тела для
использования в УФЭ школы и вуза.
Четвертая глава посвящена практическому обоснованию доступности и эффективности использования элементов электронной оптики в учебном физическом эксперименте средней школы, системы дополнительного образования и вуза. Описывается педагогический эксперимент с применением статистических методов обработки его результатов.
Объем диссертации составляет 212 страниц. Работа содержит 35 рисунков, 22 фотографии, 10 таблиц. Библиографический список насчитывает 212 наименований.
Психолого-педагогические основы построения учебного физического эксперимента
Физика - экспериментальная наука, и обучение физике должно опираться на эксперимент [169]. Поэтому экспериментальный компонент занимает одно из основных мест в содержании школьного курса физики:
Психолого-педагогические основы построения учебного физического эксперимента заложены в работах [174, 182, 193, 194]: изучаемый объект с помощью приборов, используемых в эксперименте и являющихся как бы продолжением органов чувств человека, проходит стадии ощущения и восприятия, и затем формирует представление об объекте в тесной связи с уже имеющимися представлениями о других объектах этого рода. Психологически познавательная деятельность учащегося при выполнении эксперимента начинается с проявления любопытства, идет через восприятие, отражение, стремление, действие к формированию любознательности, представления, опыта, потребности, эмоции, навыка, а через них - интереса, воображения, знания, мотива, чувства, умения.
Важность наглядности в процессе обучения как основы чувственного восприятия предмета и эмпирического выяснения закономерностей подчеркивали еще Я. А. Коменский, М. В. Ломоносов, И. Г. Песталоцци, К. Д. Ушинский и др. [8]. Со времен Коменского принцип наглядности считается «золотым правилом» классической дидактики. Отмечая значение средств наглядности, нужно учесть, что необходимость их использования вытекает из самой природы процесса познания, психологических закономерностей развития ребенка.
Структура личности состоит из множества взаимосвязанных компонентов, более сложные рождаются из более простых, например: ощущение — любопытство — восприятие — — стремление — отражение — действие, при этом они не являются результатом простого суммирования, а каждый раз представляют новые качества, обладая свойствами когнитивных структур (Л. В. Занков [106]). Развитие ума представляется не столько в усвоении знаний, сколько в усвоении разнообразия способов их переработки. Л. В. Занков определил следующие принципы, лежащие в основе системы развивающего обучения:
- обучение на высоком уровне трудности,
- изучение материала быстрым темпом,
- ведущая роль теоретических знаний,
- осознание процесса учения, -работа над развитием всех учащихся.
Психологические основы необходимости практической деятельности ребенка в процессе развития личности сформулировал С. Л. Рубинштейн, считая важнейшей ее предпосылкой развитие рук и зрения ребенка [174].
Теория деятельности, созданная в середине прошлого века российскими психологами Л. С. Выготским [31, 32], А. Н. Леонтьевым [138], С. Л. Рубинштейном [174] и их последователями, обосновала роль процесса отражения в активной психической деятельности человека. Следствием деятельностного подхода является то, что обучаемый и обучающий являются участниками единого творческого процесса, в котором обучающий берет на себя функцию его организатора. Наибольшая эффективность этого процесса достигается при такой его организации, когда ученик сам оперирует содержанием обучения.
Для реализации деятельностного подхода широкие возможности дает экспериментальный компонент. В учебном эксперименте в полной мере реализуется новая парадигма образования: ученик учится сам, а учитель осуществляет мотивационное управление его учением.
Экспериментальная деятельность в процессе обучения позволяет сочетать индивидуальный подход с коллективной деятельностью учащихся. Правильная организация совместной работы при групповой форме обучения приводит к существенному интеллектуальному взаимообогащению учащихся [31], чему и способствует учебный практикум. Выбор метода обучения базируется на концепции оптимизации учебного процесса (Ю. К. Бабанский) [8].
Оптимальное сочетание творческой деятельности учащихся и дозированной помощи учителя происходит за счет выделения этапов в самостоятельной работе согласно теории поэтапного формирования умственных действий (П. Я. Гальперин, Н. Ф. Талызина, А. В. Запорожец, Д. Б. Эльконин) [34]. Основой процесса усвоения является не восприятие, а действие, так как никакое эффективное воздействие на умственную деятельность учащихся невозможно без их собственной активности. На этом основывается связь практических действий человека и получаемого им в результате познавательного опыта.
Анализ границ применимости и принципов работы технических средств электронной оптики в целях их использования в учебном физическом эксперименте
эксперимента по оптике с помощью новых технических средств электронной оптики диктуется:
-отсутствием принципиально новых учебных экспериментов по оптике;
-увеличивающимся разрывом между уровнем знаний, получаемых учащимися, и современным уровнем развития науки и техники;
- оторванностью образования от практики: широкое применение в быту технических средств электронной оптики никак не отразилось на содержании физического образования в школе и вузе, в то время как у учащихся необходимо формировать представление не только о фундаментальном, но и о прикладном характере физической науки;
- отставанием технического уровня обеспечения учебной физической лаборатории современными приборами и оборудованием;
- слабой интеграцией УФЭ и новых информационных технологий;
- необходимостью преодоления формализации знаний учащихся по геометрической, волновой и квантовой оптике и связи этих трех моделей оптических явлений в единую картину;
- недостаточной разработанностью УФЭ для реализации дифференциации образования и организации внешкольного УФЭ, выходящего за рамки обязательной программы;
-необходимостью совершенствования методик развивающего учебного физического эксперимента и активизации творческой самостоятельности учащихся.
2. Новыми техническими средствами, которыми возможно оснастить
учебные физические лаборатории, являются современные приборы электронной оптики - электронно-оптический преобразователь (ЭОП) и прибор с зарядовой связью (ПЗС), которые легко интегрируются с другим лабораторным оборудованием [45, 47, 50, 51, 52], доступны и безопасны (при соблюдении правил обращения с этими приборами и техники безопасности) для применения в учебном процессе по физике и удовлетворяют научно-методическим требованиям, предъявляемым к учебному оборудованию.
3. ЭОП и ПЗС доступны для понимания учащимися 11-го класса. УФЭ с их использованием дает возможность систематического объяснения учащимся принципов работы, свойств и характеристик приборов электронной оптики и созданных на их основе широко применяемых устройств - цифровых фото- и видеокамер, приборов ночного видения, охранных видеокомплексов. Многие из этих приборов связаны с компьютерными технологиями [62].
4. Таким образом, применение ЭОП и ПЗС в УФЭ необходимо и возможно, что привело нас к построению системы новых учебных физических экспериментов на основе использования данных технических средств электронной оптики [40,43, 44,46-49, 63].
Анализ границ применимости и принципов работы технических средств электронной оптики в целях их использования в учебном физическом эксперименте
Тема работы: Построение спектральной характеристики ЭОП [52].
Объект исследования - ЭОП.
Предмет исследования - спектральная характеристика ЭОП.
Цели работы:
1. Ознакомление с устройством и принципом работы, правилам обращения с ЭОП.
2. Построение спектральной характеристики ЭОП.
3. Сравнение спектральной чувствительности глаза и ЭОП.
Теоретические основы эксперимента.
Для изучения ЭОП и выявления его преимуществ перед другими оптическими приборами возможно прямое измерение его характеристик, из которых основные:
- спектральная чувствительность, диапазон оптической
чувствительности входного фотокатода и, соответственно, всего
прибора, - спектральная характеристика;
-интегральный коэффициент преобразования (коэффициент усиления яркости) - амплитудная характеристика;
- временное разрешение;
- пространственное разрешение;
- электронно-оптическое увеличение;
- яркость темнового фона и шумы;
- динамический диапазон и предельная чувствительность.
Метрологические параметры ЭОП определены в его паспорте, где указаны и нормированы соответствующие погрешности. Так, временное разрешение современных ЭОП составляет 10 12 - 10"13 с, т. е. ЭОП является практически безынерционным прибором. Это объясняется тем, что фотоэлектроны, формирующие входное изображение объекта на фотокатоде, ускоряясь в камере ЭОП до десятков киловольт, без каких либо посредников и электрических цепей при передаче сигнала, используются для формирования и усиления оптического изображения на люминесцентном экране.
Это обстоятельство - исключение RC-цепей в тракте формирования полезного сигнала - позволяет не только добиться огромного временного разрешения, но и резко снизить уровень шумов и достичь предельной чувствительности на грани регистрации отдельных фотонов. Ш
Стандартное разрешение однокамерного ЭОП - 40-50 линий на миллиметр.
Электронно-оптическое увеличение собственно ЭОП обычно равно единице, а возможность получения дополнительного изменения масштаба при необходимости реализуется при использовании соответствующего оптического объектива на входе ЭОП.
Яркость свечения люминесцентного выходного экрана за счет темнового фона современных ЭОП, вызванная авто- и термоэлектронной эмиссией, весьма мала. С точки зрения учебного эксперимента она практически равна нулю при охлаждении фотокатода до -40 С [114].
Важнейшими из характеристик ЭОП являются спектральная и амплитудная. Спектральная характеристика ЭОП определяется его входным фотокатодом. Для измерения спектральной характеристики (и в дальнейшем, если иное не оговорено отдельно) используем ЭОП типа 6ЭП21МГ с многощелочным фотокатодом (паспортный диапазон спектральной чувствительности от 400 нм - ввиду непрозрачности для ультрафиолета обычного стекла - до 1100 нм, коэффициент преобразования 104), двухкамерный, с желто-зеленым свечением люминесцентного экрана.
(Получаемая в эксперименте кривая является наложением графика чувствительности фотокатода ЭОП на спектр излучения источника света.)
При слабых входных потоках излучения усиленный по яркости световой поток с выходного экрана ЭОП падает на фоторезистор, ток через него приблизительно прямо пропорционален световому потоку падающего излучения.
