Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы изучения современной физики в педагогической теории и практике 17
1.1. Что такое современная физика 17
1.2. Особенности современной микро- и мегафизики 20
1.3. Современная физика в учебно-методической литературе и диссертационных исследованиях 26
1.4. Констатирующий этап педагогического эксперимента 43
Выводы по главе 1 57
Глава 2. Экспериментальные и теоретические основы методики реализации образовательного потенциала современной физики в профильной школе 59
2.1. Образовательный потенциал современной физики 59
2.2. Отбор содержания современной физики для его изучения в школьном курсе физики 68
2.3. Современная физика в элективном курсе профильной школы (I этап поискового эксперимента) 77
2.4. Современная физика в разделе «Квантовая физика и строение Вселенной» профильного уровня обучения (II этап поискового эксперимента) 83
2.5. Дальтон-технология в обучении современной физике (III этап поискового эксперимента) 90
2.6. Модель методики реализации образовательного потенциала изучения современной физики в профильной школе 99
Выводы по главе 2 101
Глава 3. Методика реализации образовательного потенциала современной микро- и мегафизики в профильной школе 102
3.1. Содержание и структура раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» 102
3.2. Методические рекомендации к преподаванию раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» с учетом современных вопросов 107
3.3. Календарно-тематическое планирование изучения раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» 143
3.4. Изучение раздела "Квантовая физика и строение Вселенной в формате Дальтон-технологии 147
3.5. Элективный курс «Современная микрофизика и эволюция Вселенной»159
Программа элективного курса «Современная микрофизика и эволюция Вселенной» 159
3.6. Методические рекомендации к занятиям элективного курса «Современная микрофизика и эволюция Вселенной. 164
3.7. Календарно-тематическое планирование элективного курса «Современная микрофизика и эволюция Вселенной» 170
3.8. Мультимедийное сопровождение занятий по современной физике 175
Выводы по главе 3 180
Глава 4. Экспериментальная проверка методики изучения вопросов микро- и мегафизики в профильной школе 181
4.1. Общая характеристика эксперимента 181
4.2. Обучающий эксперимент 185
4.2.1. Изучение влияния современной физики на развитие мотивационной сферы личности 186
4.2.2.Изучение влияния современной физики на развитие когнитивной сферы личности 192
4.2.3.Изучение влияния современной физики на развитие креативной сферы личности 199
Выводы по главе 4 204
Заключение 205
Список литературы 207
Приложения 20714
- Современная физика в учебно-методической литературе и диссертационных исследованиях
- Современная физика в разделе «Квантовая физика и строение Вселенной» профильного уровня обучения (II этап поискового эксперимента)
- Календарно-тематическое планирование изучения раздела «Квантовая физика и строение Вселенной»
- Изучение влияния современной физики на развитие мотивационной сферы личности
Введение к работе
Открытия в физике XX века привели к накоплению огромного количества информации в новых областях физики, к появлению новых идей и теорий, приведших к созданию современной физики. Современное развитие науки характеризуется непрерывно возрастающим объемом знаний и необычайной абстрактностью и сложностью совершаемых открытий, вследствие чего появляется существенный разрыв между современным уровнем научных знаний и содержанием образовательных программ школы и вуза.
Термин «современная физика» может пониматься в двух смыслах. Во-первых, современной называют физику, «родившуюся» на рубеже XIX – XX веков. Основными идеями современной физики в этом смысле являются квантовые, релятивистские и статистические идеи. Во-вторых, современной называют физику конца XX – начала XXI века, в рамках которой можно говорить о процессе становления новой картины мира, для которой характерно единство подходов макро-, микро- и мегафизики. В данном диссертационном исследовании под современной физикой имеется в виду ее вторая трактовка. Можно сказать, что современная физика включает те явления и законы, которые относятся к современному этапу её развития, те центральные проблемы, над которыми работает в настоящее время физическая мысль.
Самым популярным источником знаний о современных научных достижениях является отнюдь не школьный учитель, а средства массовой информации, поскольку современная физика с большим трудом входит в учебные программы и стандарты общего среднего образования. В то же время в ФГОС среднего общего образования при описании требований к предметным результатам освоения базового и углубленного курсов физики сказано, что необходимо обеспечить сформированность представлений обучаемых о роли и месте физики в современной научной картине мира, понимание физической сущности наблюдаемых во Вселенной явлений.
Изучение вопросов современной науки в школе формирует представления о
современной научной картине мире, делает знания и понимание вопросов
физической науки более прочными и глубокими, раскрывает область
применимости школьных знаний и их прикладное значение в современных
физических исследованиях, способствует профессиональной ориентации
учащихся, заставляет «реагировать» на информацию о недавно открытых
физических явлениях и развивает потребность критически ее анализировать,
предполагает продуктивный характер познавательной деятельности,
выполнение учебно-исследовательской, проектной и информационно-
познавательной деятельности учащихся.
Это и многое другое определяет образовательный потенциал современной физики в школе как возможность оказать влияние на развитие мотивационной, когнитивной и креативной личностных сфер обучаемых, в частности на развитие диалектического и творческого мышления, понимания, памяти, познавательной и творческой активности и пр.
Анализ результатов анкетирования учителей и учащихся на
констатирующем этапе экспериментального исследования показал, что учащиеся хотят изучать современную физику в разном объеме и разных формах, но учителя к этому не готовы, и существующая система подготовки и повышения квалификации учителей не дает им глубоких знаний, в том числе методических, для решения этой задачи.
Особый интерес в обучении физике представляют несколько направлений современной науки, но лишь некоторые из них доступны школьникам, даже изучающим физику на профильном и углубленном уровнях. Подобными направлениями могут быть отдельные вопросы современной физики микромира и мегамира, особенностью которых является взаимосвязь современных физических исследований в этих, на первый взгляд, абсолютно разных по масштабам изучаемых объектов областях науки. Современным школьникам эта взаимосвязь отнюдь не очевидна. Декларируемая интеграция весьма ограниченного круга астрофизических вопросов в школьный курс физики не обеспечивает формирования современных квантовых и астрофизических представлений учащихся.
В настоящее время наиболее важным, в том числе с точки зрения решения задачи интеграции физики и астрономии, является исследование возможности включения в школьное физическое образование вопросов современной микро-и мегафизики.
Проблема формирования квантовых представлений школьников всегда была одной из самых сложных из-за специфики квантового описания свойств материи, ограниченности экспериментальных работ в условиях школьной лаборатории и других причин. Тестирование учащихся в рамках одного из этапов констатирующего эксперимента показало, что большинство учащихся с трудом осваивает понятийный аппарат квантовой физики, в том числе физики элементарных частиц, с трудом осознает эмпирическую базу и динамику становления квантовой физики, но при этом хорошо ориентируется в решении ключевых расчетных задач, необходимых для выполнения тестов ЕГЭ. Эти результаты привели к идее переструктурирования материала по квантовой физике с учетом современных ее открытий и достижений, исторического и логического подходов к обучению, а также тесной связи с исследованиями в области астрофизики.
Введение основ квантовой физики в школу – сложная методическая задача, которая не осталась без внимания учёных-методистов (М.Е. Бершадского, Б.Е. Будного, В.В. Мултановского, Тарасова Л.В., Маркова В.Н. и др.), которыми проделана большая работа по созданию методики обучения вопросам квантовой физики в средней общеобразовательной школе.
Частично результаты этих работ воплощены в авторских учебно-методических комплектах (УМК) (Касьянов В.А.; Тихомирова С.А., Яворский Б.М.; Дик Ю.И., Генденштейн Л.Э.; Мякишев Г.Я., Синяков А.З.; Пинский А.А.; Кабардин О.Ф. и др.; Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.; Громов С.В., Шаронова Н.В.).
Достижения физики последних десятилетий не находят должного отражения в литературе для учителя. Эти вопросы представлены в работах Иванова Б.Н., Тарасова Л.В., являющихся бесценным помощниками учителя в самообразовании по вопросам современной науки. Однако в данных работах не раскрыты возможные модели введения этих вопросов в процесс обучения школьников. Большая часть современных изданий по понятным причинам обращена к изучению современной физики в вузе.
Целый ряд проблем, таких как включение в содержание вопросов современной физики, единство исторического и методологического подходов к обучению, отражение взаимосвязи современной микрофизики и астрофизики в своей совокупности не нашли должного разрешения.
Таким образом, можно говорить о существовании противоречия между образовательным потенциалом современной физики и невозможностью его реализовать с применением существующих методик обучения, что и определяет актуальность темы исследования «Реализация образовательного потенциала современной физики в профильной школе».
Проблема исследования заключается в поиске ответа на вопрос, какой должна быть методика формирования представлений учащихся профильной школы о современной физике, чтобы реализовывался потенциал современной физики в обучении, воспитании и развитии обучаемых.
Объект исследования – процесс обучения учащихся вопросам современной физики в профильной школе.
Предмет исследования – методика реализации образовательного потенциала современной физики в профильной школе.
Цель диссертационного исследования состоит в обосновании и разработке методики реализации образовательного потенциала современной физики в профильной школе.
Гипотеза исследования формулируется следующим образом. Если включить вопросы современной микрофизики и мегафизики в содержание школьного физического образования и обеспечить условия для их освоения путем структурирования учебного материала в соответствии с идеями единства исторического и методологического подходов к обучению, отражения взаимосвязи современной микрофизики и астрофизики с применением продуктивных методов и форм обучения, то это окажет существенное влияние на развитие мотивационной, когнитивной и креативной личностных сфер обучаемых, а именно на сформированность познавательной и творческой активности, улучшение предметных образовательных результатов в области квантовой физики и астрофизики.
Задачи диссертационного исследования:
-
выявить состояние проблемы изучения современной физики в общеобразовательной школе в педагогической теории и практике;
-
провести отбор содержания вопросов современной микро- и мегафизики для возможного их изучения в профильной школе;
-
выявить возможные формы изучения современной микро- и мегафизики в профильной школе;
-
сформулировать требования к содержанию и структуре учебного материала в контексте предложных форм обучения, его конкретизировать, адаптировать и структурировать;
-
разработать модель методики реализации образовательного потенциала современной физики в профильной школе;
-
обосновать и разработать методику реализации образовательного потенциала современной микро- и мегафизики в профильной школе для каждой из предложенных форм обучения;
-
разработать мультимедийное сопровождение к урокам и занятиям;
-
провести педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования.
Теоретико-методологическую основу исследования составляют идеи
концепций современного естествознания, сформулированные в работах
Горбачева В.В., Голубевой О.Н., Дубнищевой Т.Я., Рузавина Г.Я., Суханова
А.Д.; работы по истории, философии и методологии физики, в частности
современной физики, Ильина В.А.; идеи о содержании и структуре
современной науки, представленные в работах В.Л. Гинзбурга, С.Хоккинга;
общенаучные принципы психологии личности и основы когнитивной
психологии Ж.Пиаже, Дж. Келли, Дж. Брунера, Ч. Остуда, К. Роджерса, А. Маслоу; идеи педагогов и методистов о принципах отбора содержания и структурирования курса физики, о влиянии физической науки на формирование личности, представленные в работах Лернера И.Я., Зориной Л.Я., Ланиной И.Я., Мощанского В.В., Мултановского В.В., Голина Г.М., Пурышевой Н.С., Важеевской Н.Е., Шароновой Н.В. и др.
Для решения поставленных задач применялись такие методы и виды
деятельности, как теоретический анализ философской, психолого-
педагогической, научно-методической, научной, научно-популярной и учебной литературы, сайтов сети Интернет; моделирование и проектирование деятельности учителя физики, осуществляющего обучение учащихся современным вопросам физики; наблюдение и анализ деятельности учителей и учащихся, их анкетирование с целью изучения состояния исследуемой проблемы в практике школы; педагогический эксперимент.
Научная новизна результатов исследования
1. Обоснована необходимость и возможность изучения вопросов
современной микро- и мегафизики в профильной школе при изучении
квантовой физики и строения Вселенной в основном курсе физики, на занятиях
элективного курса и в проектно-исследовательской деятельности учащихся.
-
Обоснована целесообразность структурирования учебного материала по квантовой физике и астрофизике в профильном курсе физики с точки зрения реализации в единстве исторического и логического подходов в обучении, а также современных взглядов на взаимосвязь квантовой физики и астрофизики.
-
Разработана модель методики реализации образовательного потенциала
современной физики в профильной школе, характеризующаяся следующими особенностями:
направленность на реализацию образовательного потенциала современной физики в школе в четырех формах – в элективном курсе «Современная микрофизика и эволюция Вселенной», в курсе физики профильного уровня при изучении единого раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» с использованием Дальтон-технологии и без неё, в форме проектно-исследовательской деятельности учащихся на материале современной физики, неразрывно связанной с первыми двумя формами;
построение единого раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» на основе реализации в единстве исторического и методологического подхода в обучении, а также современных взглядов на взаимосвязь и единство квантовой физики и астрофизики;
- преобладание активных продуктивных методов изучения вопросов
современной физики, в частности организации обучения по Дальтон-плану.
4. Модель методики реализации образовательного потенциала
современной физики дополнена частными моделями содержания и структуры
раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» и взаимосвязи развития
сфер личности (когнитивной, мотивационной и креативной) и инструментов
формирования представлений учащихся о современной физике.
5. Разработана методика реализации образовательного потенциала
современной физики в профильной школе, целевой компонент которой
направлен на развитие когнитивной, мотивационной и креативной личностных
сфер обучаемых, а именно:
отобрано и адаптировано содержание вопросов современной физики для его изучения в курсе физики профильного уровня обучения и в элективном курсе, предназначенном для изучения учащимися классов разных профилей;
определены требования к предметным и личностным результатам учащихся по итогам изучения раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» и элективного курса «Современная микрофизика и эволюция Вселенной»;
- разработано календарно-тематическое планирование изучения раздела
«Квантовая физика и строение Вселенной» и элективного курса «Современная
микрофизика и эволюция Вселенной», а также планы-конспекты уроков и
занятий;
- разработаны методические рекомендации по организации учебной
деятельности в формате Дальтон-технологии и Дальтон-задания, направленные
на развитие мотивационной, когнитивной и креативной личностных сфер
учащихся;
- создано мультимедийное сопровождение изучения квантовой физики и
элементов астрофизики в профильной школе с учетом современных открытий и
теорий.
Теоретическая значимость результатов исследования определяется тем, что они вносят вклад в теорию и методику обучения физике в общеобразовательной школе за счет раскрытия содержания образовательного
потенциала современной физики, обоснования необходимости и возможности изучения вопросов современной микро- и мегафизики в профильной школе, а также конкретизации идеи педагогической интеграции в виде построения единого раздела школьного курса физики, интегрирующего содержание квантовой физики и астрофизики, формулировки требований к содержанию и структуре учебного материала по современной физике в условиях широкого применения информационных технологий.
Практическая значимость результатов исследования определяется созданием учебно-методического обеспечения реализации образовательного потенциала современной физики в профильной школе, включающего:
- содержание учебного материала по квантовой физике и астрофизике с учетом современных представлений для его изучения в курсе физики профильной школы и элективном курсе «Современная микрофизика и эволюция Вселенной» для классов разных профилей;
- фрагмент программы курса физики и программа элективного курса,
отражающие вопросы современной физики;
методические рекомендации по изучению вопросов современной физики в основном курсе и в элективном курсе (календарно-тематическое планирование, планы-конспекты уроков и занятий);
рекомендации по применению продуктивных форм и методов обучения вопросам современной физики, в частности элементов технологии Дальтон;
- дидактические средства продуктивного характера (Дальтон-планы с
вариативным содержанием учебного материала для саморазвития учащихся,
темами исследовательских и экспериментальных работ);
- мультимедийное сопровождение к 52 урокам раздела «Квантовая физика
и строение Вселенной» и к 16 занятиям элективного курса «Современная
микрофизика и эволюция Вселенной.
Применение созданных в ходе исследования учебно-методических материалов способствует развитию мотивационной, когнитивной и креативной личностных сфер обучаемых.
Апробация результатов исследования проходила на Международной
научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и
перспективы развития» (Москва, 2006-2010гг), Всероссийском съезде учителей
физики МГУ (Москва, 2011), XV Международной научно-практической
конференции «Региональные ресурсы развития культурно-образовательной
среды – ведущее условие самореализации личности» (Смоленск, 2011г), XVI
Международной научно-практической конференции «Развитие культурно-
образовательной среды региона в условиях социального многообразия»
(Златоуст, 2012), Городском конкурсе «Грант Москвы» в области
инновационных технологий в сфере образования (Москва, 2008), а также
прошли апробацию на семинарах и мастер-классах по применению Дальтон-
технологии при обучении вопросам современной физики в рамках
стажировочной площадки МПГУ (2007-2012гг).
На защиту выносятся следующие положения.
-
Изучение вопросов современной микро- и мегафизики в профильной школе расширяет возможности в развитии когнитивной, мотивационной и креативной личностных сфер учащихся, а именно способствует формированию познавательной и творческой активности, улучшению предметных образовательных результатов в области микрофизики и астрофизики.
-
Для реализации образовательного потенциала современной физики в профильной школе необходимо включить в содержание школьного физического образования адаптированные вопросы современной науки, как в рамках курса физики, так и в форме элективного курса и проектно-исследовательской деятельности учащихся. При отборе и адаптации содержания вопросов современной физики для изучения их школьниками следует 1) опираться на дидактические принципы; 2) обеспечивать взаимосвязь с содержанием курса физики в целом, 3) учитывать свойства увлекательности и эмоциональности учебного материала, а также актуальность отраженных в нем проблем для науки, техники и прогресса человечества в целом.
-
Для формирования глубоких знаний в области квантовой физики и астрофизики целесообразно не только включить вопросы современной микро- и мегафизики в школьное физическое образование, но и структурировать содержание учебного материала в рамках единого раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» курса физики в контексте реализации в единстве исторического и методологического подходов в обучении, а также современных взглядов на взаимосвязь квантовой физики и астрофизики.
-
Изучение вопросов современной микро- и мегафизики в форме элективного курса «Современная микрофизика и эволюция Вселенной», предназначенного для изучения учащимися разных профилей, является полезной альтернативой в условиях профильной школы, снижает риск информационной перегрузки учащихся во время основных занятий, при этом его практическую часть целесообразно ориентировать на выполнение межпредметных и профильно-ориентированных заданий.
-
При изучении вопросов современной физической науки в школе предпочтительно применять не объяснительно-иллюстративные, а продуктивные формы и методы обучения, предполагающие возможность дальнейшего саморазвития учащихся, мотивирующие к образованию и самообразованию в этой области знаний, к самостоятельной творческой деятельности, а также широко применять ИКТ в разных формах и разном объеме как одного из ведущих средств обучения вопросам современной науки.
Современная физика в учебно-методической литературе и диссертационных исследованиях
Начнем с анализа школьных программ с точки зрения содержания в них элементов современной физики. Для этого сначала выделим вопросы современной микро- и мегафизики для их изучения в школьном курсе профильной школы: Микрофизика: Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика. Квантово полевое описание взаимодействий. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. Стандартная модель. Хиггсовский механизм. Великое объединение. Суперобъединение. Теория струн. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры. Мегафизика: Космологическая проблема. Связь между космологией и физикой высоких энергий. Нейтронные звезды и пульсары. Черные дыры. Космические струны. Квазары и ядра галактик. Образование галактик. Проблема скрытой массы (темной материи) и ее детектирования. Эти вопросы могут быть «встроены» в разделы «Квантовая физика» и «Строение Вселенной» профильного уровня и «Квантовая физика и элементы астрофизики» базового уровня изучения физики. Рассмотрим, как вышеперечисленные вопросы отражены в школьных учебниках (таблица 1). Из вышеприведенной таблицы видно, что существуют программы для школ, в которых отражены вопросы современной физики в той или иной степени. Но целостная картина состояния современной физики остается недостаточно раскрытой и ясной. Наиболее удачной в этом смысле является УМК Касьянова В.А. Основное содержание курса физики среднего (общего) образования представлено в двух вариантах — для базового и профильного уровней изучения физики. Для каждого из уровней описан образовательный минимум содержания образования по физике. Рассмотрим содержание вопросов обязательного минимума программы профильного уровня обучения по разделам «Квантовая физика» и «Строение Вселенной» [54] на предмет наличия в них вопросов современной микро- и мегафизики. Раздел «Квантовая физика» Гипотеза Планка о квантах. Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотон. Давление света.
Корпускулярно-волновой дуализм свойств света. Модели строения атома. Опыты Резерфорда. Объяснение линейчатого спектра водорода на основе квантовых постулатов Бора. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Дифракция электронов. Соотношение неопределённостей Гейзенберга. Спонтанное и вынужденное излучение света. Лазеры. Состав и строение атомного ядра. Свойства ядерных сил. Энергия связи атомных ядер. Виды радиоактивных превращений атомных ядер. Ядерные спектры. Закон радиоактивного распада. Свойства ионизирующих ядерных излучений. Доза излучения. Ядерные реакции. Цепная реакция деления ядер. Ядерная энергетика. Термоядерный синтез. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия. Законы сохранения в микромире. Раздел «Строение Вселенной Применимость фундаментальных законов физики к изучению природы космических объектов и явлений. Космические исследования, их научное и экономическое значение. Солнечная активность и её влияние на Землю. Источники энергии и возраст Солнца и звёзд. Представление об образовании звёзд и планетных систем из межзвёздной среды. Наша Галактика и место Солнечной системы в ней. Другие галактики. Пространственно-временные масштабы наблюдаемой Вселенной. Реликтовое излучение. Понятие о расширении Вселенной. Эволюция Вселенной. Особенность этих вопросов состоит в том, что содержание некоторых из них далеко неоднозначно и может быть представлено по-разному (с использованием современной физики и без). Например, тема «элементарные частицы». В современной науке истинно элементарными частицами являются фермионы (кварки и лептоны) и бозоны-переносчики взаимодействий. Этот же вопрос напрямую связан с понятием квантовой хромодинамики, а она, в свою очередь, относится к современной теории квантово-полевого описания микромира. Не все авторские программы по физике учитывают эту особенность. В этом плане более содержательными являются программы Касьянова В.А. для профильного изучения и Мякишева Г.Я., Синякова А.З. Авторы считают приоритетным формирование и развитие у учащихся знаний основ современных физических теорий. В этих программах нашли отражение такие понятия, как обменное взаимодействие, кварки и лептоны, квантовая хромодинамика, промежуточные векторные бозоны. Еще одним важным понятием современной науки является «фундаментальные взаимодействия», которое, безусловно, описано во всех учебных программах. Но не во всех представлено современное видение на фундаментальные взаимодействия, в основе которого лежит квантово-полевая теория. В дополнение к этому работы ученых в вопросах объединения фундаментальных взаимодействий определяют сегодня представление о происхождении материи и Вселенной в целом. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий на сегодняшний день является общепризнанной теорией описания микромира, эксперименты полностью подтвердили ее предсказания с изумительной точностью, а частицы, предсказанные этой моделью, были обнаружены в современных экспериментах. Не смотря на доступность этой теории школьному уровню знаний, к сожалению, она не входит ни в образовательный минимум, ни в авторские программы по физике.
Именно в рамках создания Стандартной модели проходили исследования по поиску бозона Хиггса, отвечающего в квантово-полевом описании за приобретение частицами массы – одной из самых фундаментальных в физике величине. Кстати сказать, последние открытия, связанные с хиггсовским механизмом, должны в ближайшее время заставить пересмотреть авторов школьных учебников свои взгляды на содержание темы «элементарные частицы», подправив и дополнив ее необходимыми вопросами. Речь идет, в первую очередь, о Стандартной модели. Другой особо важный вопрос в физике высоких энергий – современная ускорительная техника. В школьной программе имеет место быть вопрос о способах регистрации элементарных частиц, но, как правило, в учебниках он ограничен самыми первыми устройствами, такими как Камера Вильсона, счетчик Гейгера, пузырьковая камера. Безусловно, эти устройства описывают фундаментальные методы изучения микромира, такие как влияние электромагнитного поля на частицы, способность частицы к ионизации среды и т.д. Эти методы не устарели, а лежат в основе современных экспериментов, говорить о которых в школе, на наш взгляд, надо обязательно. Речь идет, в первую очередь, о самой крупной, мощной и наукоемкой на сегодняшний день экспериментальной установке в мире по исследованию элементарных частиц – коллайдер LHC (Large Hadron Collider), изучение которой в школе имеет немалый образовательный потенциал, речь о котором пойдет ниже.
Современная физика в разделе «Квантовая физика и строение Вселенной» профильного уровня обучения (II этап поискового эксперимента)
Вторым этапом поискового эксперимента, стала разработка модели формирования представлений о современной микро- и мегафизики в основном курсе физики профильного уровня обучения. в основе которой были положены идеи, выявленные в первой главе диссертации, а именно:
- органичное сочетание традиционно изучаемых в общеобразовательной школе вопросов с современными вопросами физики;
- реализация взаимосвязи и единства современной квантовой физики и астрофизики; - структурирование содержания с точки зрения реализации в единстве исторического и логического подхода в обучении.
Вышеперечисленные идеи легли в основу создания единого раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» для учащихся 11 класса, изучающих физику на профильном и углубленном уровнях.
Особенностями раздела стали:
- разделение раздела на шесть тематических блоков, последовательность которых соответствует идее реализации исторического и логического подходов в обучении, направленные на стимулирование и поддержание познавательной и поведенческой активности учащихся;
- наличие тематического блока мотивационного и подготовительного характера (предыстория квантовой физики);
- наличие тематического блока интегрированного содержания микро- и мегафизики «Элементарные частицы и Вселенная».
Рассмотрим структуру и краткое содержание раздела «Квантовая физика и строение Вселенной»:
Тематический блок №1 «Экспериментальные доказательства сложной структуры материи» 4- Развитие представлений о строении вещества от античности до Эпохи
Возрождения 4- Электрические явления в веществе. Катодные лучи t- Рентгеновские лучи. Начало исследования радиоактивности. А Естественная радиоактивность 4- Явление фотоэффекта 4- Спектры и спектральный анализ 4- Тепловое равновесное излучение
Тематический блок №2 «Квантовая теория. Строение атома» Гипотеза Планка. Объяснение теплового равновесного излучения
4- Законы фотоэффекта -4 Модели строения атома: Томсона, Резерфорда; Бора-Резерфорда. 4- Элементы квантовой механики. Квантово-механическая модель атома
Тематический блок №3 «Строение атомного ядра» і- Протонно-нейтронная модель атомного ядра 4- Энергия связи. Дефект масс 4- Искусственная радиоактивность
Тематический блок №4 «Элементарные частицы. Физика высоких энергий» 4- Введение в физику высоких энергий. Характерные размеры и энергии Способы регистрации и исследования частиц в микромире. Современная
ускорительная техника. 4- Элементарные частицы. Кварковый состав частиц. Обменный характер взаимодействия элементарных частиц.
Фундаментальные взаимодействия. 4- Стандартная модель элементарных частиц 4- Современные задачи физики элементарных частиц
Тематический блок №5 «Элементарные частицы и Вселенная» ± Космологическая модель эволюции Вселенной 4- Концепции объединения элементарных частиц и их место в эволюции
Вселенной Современные теории эволюции Вселенной Современные задачи астрофизики
Тематический блок №6 «Строение Вселенной» 4- Астрономические структуры 4- Эволюция звезд Солнечная система Одно из главных отличий предлагаемой модели содержания и структуры единого раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» от существующих состоит в наличии тематического блока «Экспериментальные доказательства сложной структуры материи», с изучения которого рекомендуется начать знакомство с квантовой физикой. Этот блок является мотивационным этапом в изучении квантовых идей, знакомит учащихся с ее эмпирической базой. Здесь имеет место изучение таких вопросов, как естественная радиоактивность, рентгеновское излучение, спектры и спектральный анализ, явление фотоэффекта, тепловое равновесное излучение. Все эти вопросы существующих УМК обсуждаются в разных темах, а в предлагаемой модели оказываются в одном тематическом блоке и именно это, как показало исследование, мотивирует учащихся на освоение материала раздела в целом и позволяет реализовать идею единства исторического и методологического подходов в изучении раздела.
Второй тематический блок «Квантовая теория. Строение атома» начинается с введения квантовых представлений, объяснения рассмотренных в предыдущем блоке явлений теплового равновесного излучения и фотоэффекта, раскрывает физический смысл постоянной Планка, который слабо представлен в современны школьных учебниках. Далее логично следует знакомство с развитием научных взглядов на строение атома от модели Томсона до квантово-механической модели. Таким образом, квантовые свойства света и строение атома обсуждаются во взаимосвязи друг с другом.
Блок «Строение атомного ядра» имеет классическое содержание за исключением отсутствия ранее изученного явления естественной радиоактивности, закона радиоактивного распада и правил смещения Содди, открытых еще до того, как стало известно строение атома. Одним из самых насыщенных по содержанию вопросами современной физики является четвертый блок – «Элементарные частицы. Физика высоких энергий». Его содержание включает изучение современных классификаций элементарных частиц, физических экспериментов в области исследования микромира, и, наконец, теории описания взаимодействий элементарных частиц и элементов квантово-полевой теории. Большинство вышеперечисленных вопросов отсутствует в существующих УМК, что ограничивает понимание учащимися особенностей физики высоких энергий, актуальных задач и экспериментов в этой области, их значимости для понимания научной картины мира. Не менее «осовремененным» является пятый блок «Элементарные частицы и Вселенная», который раскрывает взаимосвязь исследований в области микро- и мегамира, применимость исследований микромира в объяснении процессов, происходивших на ранних этапах эволюции Вселенной и определяющих наш мир сегодня таким, какой он есть. Здесь изучаются такие вопросы, как стандартная космологическая модель, черные дыры, проблема скрытой массы (темной материи) и ее детектирования, а также знакомство с современными альтернативными теориями рождения и эволюции Вселенной. Завершается раздел шестым блоком «Строение Вселенной», открывая учащимся мегамир во всем его многообразии – от Солнечной системы до звездных систем. Итак, целью второго этапа поискового эксперимента стала разработка и корректировка методики реализации образовательного потенциала изучения современной физики в едином структурируемом разделе «Квантовая физика и строение Вселенной», направленной на развитие когнитивной, мотивационной и креативной личностных сфер обучаемых. В 2008 году вопросы современной физики изучались в едином разделе «Квантовая физика и строение Вселенной». Участниками второго этапа поискового эксперимента стали 25 учащихся 11 класса профильного уровня обучения школы №354. Для сравнительного и константного эксперимента была выбрана параллельная группа учащихся 11 класса профильного уровня обучения физике в количестве 21 учащегося, не изучающих современную физику. Экспериментальное обучение учащихся на втором этапе поискового эксперимента позволило решить проблемы, обнаруженные на констатирующем этапе, в частности проблему ориентирования учащихся в установлении исторических и методологических связей изучаемых явлений и физических закономерностей. Динамика образовательных результатов показала высокий уровень освоения знаний по квантовой физике и астрофизике профильного уровня обучения (таблица 5)
Календарно-тематическое планирование изучения раздела «Квантовая физика и строение Вселенной»
Календарно-тематическое планирование изучения раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» (таблица 10) представлено шестью тематическими блоками общим объемом 52 часа и ориентировано на изучение физики 5 часов в неделю. Как было сказано в главе 2 изучение современной физики требует применения высокого уровня индивидуализированных технологий. Включение в основной учебный материал для профильной школы вопросов современной науки может привести к информационной перегрузке, требует от учителя или корректировки учебного времени на изучение тех или иных вопросов, или организации ознакомления учащихся с новыми вопросами в рамках «дополнительного чтения», или внедрения наиболее продуктивных форм организации обучения.
Это заставило нас обратиться к Дальтон-технологии, в рамках которой предусмотрена организация обучения по Дальтон-плану. В рамках организации работы по Дальтон-плану предполагаются:
- наличие Дальтон-задания по каждой теме, содержащего систему заданий обязательного и вариативного содержания;
- различные виды работы – работа с учебником и дидактическими материалами, с дополнительными источниками информации, экспериментальные задания, исследовательские работы, подготовка отчетов, докладов, презентаций, выступлений и др.;
- указание в задании сроков выполнения, планируемые результаты – предметные и личностные, календарно-тематическое планирование уроков в теме, рекомендуемая информационная база.
Основное преимущество работы по Дальтон-плану – учет индивидуальных способностей, интересов в выполнении дополнительных заданий, а главное - темпа работы учащихся. Учащиеся, получив Дальтон-задание, самостоятельно планируют работу над полученными заданиями, выполняют их в соответствии с самостоятельным выбором дополнительных заданий, ведут учет своей работы, работают с дополнительными источниками информации.
Изучение вопросов современной науки в контексте предложенных форм и методов обучения усиливает ее образовательный эффект, так как предпо лагает развитие умений самостоятельно определять цели деятельности и составлять планы деятельности, самостоятельно осуществлять, контролировать и корректировать деятельность, формирует нацеленность на результат, мотивирует на творчество и саморазвитие. Для раздела «Квантовая физика и строение Вселенной» разработаны Дальтон-задания и рекомендации к планированию учебных занятий по всем тематическим блокам, что соответствует полному переходу на обучение в формате Дальтон-технологии. Но возможно и ее частичное применение при изучении отдельных тем. Распределение часов на изучение той или иной темы остается прежним. Например, на изучение темы «Элементарные частицы» в предложенном нам ранее планировании отводится 10 академических часов. Распределение уроков в системе Дальтон может быть представлено следующим образом:
- Урок-лекция – 5ч
- Дальтон-урок – 4ч
- Урок-конференция – 1ч
Планирование последовательности уроков остается на усмотрение педагога. Это могут быть первые шесть уроков-лекций, затем три Дальтон-урока, и, наконец, урок-конференция. Подобная последовательность удобна тем, что оставляет возможность учащимся после прослушивания лекции правильно определить стратегию закрепления этого материала на Дальтон-занятиях. Возможно, кто-то освоит материал на лекциях и будет готов к контролю знаний и дальнейшему самообразованию в работе над дополнительными заданиями. Кому-то могут понадобиться все Дальтон-уроки для консультации с учителем или одноклассниками по основным вопросам. Таким образом, каждый работает в удобном для себя темпе. Контрольному мероприятию при этом не отводится отдельный урок, учащийся выполняет контрольное задание на Дальтон-уроке по мере готовности к нему.
Изучение влияния современной физики на развитие мотивационной сферы личности
Три контрольные и четыре экспериментальные группы прошли анкетирование по выявлению уровня познавательной активности учащихся при изучении физики (анкета в приложении 2). Анкетирование на входе позволило определить стартовую оценку уровня мотивации, анкетирование на выходе показало прирост изменений (как положительный, так и отрицательный).
Познавательный интерес к предмету, как мы уже отмечали в главе 2, зависит от нескольких факторов: содержания учебного материала; методов, форм и средств обучения, применяемых учителем; в конце концов, от личности самого учителя. Объектом влияния в данном исследовании мы рассматриваем как содержание современной физики, так и методические приемы в её изучении. Для того чтобы исключить другие факторы, влияющие на познавательную активность учащихся, мы определяем её динамику, а не единовременное значение. При повторном анкетировании учащихся просили ориентироваться на последний период обучения (примерно 2 месяца).
Вспомним определяющие показатели анкетирования:
0—5 баллов — низкий уровень познавательной активности;
6—14 баллов — средний уровень познавательной активности;
15—20 баллов — высокий уровень познавательной активности.
На диаграмме 1 представлены результаты анкетирования учащихся 1-ой экспериментальной группы, изучивших современную физику в элективном курсе «Современная микрофизика и эволюция Вселенной».
Первая экспериментальная группа (диаграмма 1) по результатам анкетирования представляет собой достаточно контрастный коллектив с разбросом измеряемого стартового значения от 12 до 19 баллов. Анализ результатов показывает:
- положительную динамику во всей группе:
- больший прирост наблюдается у учащихся с более низким стартовым значением;
- имеется 3 отрицательных значения, которые были получены у учащихся, пропустивших большое кол-во занятий по разным причинам.
(Элективный курс) Вторая экспериментальная группа (диаграмма 2), изучающая современную физику в едином разделе «Квантовая физика и строение Вселенной», по результатам анкетирования представляет собой «ровный» коллектив с одинаково относительно высоким уровнем познавательной активности. По окончании обучения анализ результатов показывает прирост значения на 0,75 балла. высоким уровнем познавательной активности из всех экспериментальных групп. Почти у всех учащихся наблюдается положительная динамика, тем не менее, трое учащихся имеют отрицательные результаты в динамике.
Диаграмма 3. Динамика познавательной активности учащихся 3 группы (Квантовая физика и строение Вселенной)
Четвертая группа (диаграмма 4) при относительно невысоком стартовом уровне познавательной активности из всех экспериментальных групп показали более мотивированное отношение к физике в конце её изучения.
Рассмотрим результаты контрольных групп учащихся, не изучающих вопросы современной физики. Три контрольные группы (5, 6 и 7 группа) также представляют собой классы, изучающие физику на углубленном уровне. Однако, их обучение по вопросам квантовой физики проводилось на классической основе без внедрения современных вопросов.
Пятая контрольная группа (диаграмма 5) представляла собой достаточно контрастный по стартовому уровню познавательной активности коллектив. При этом у 7 учащихся (почти 1/3 часть класса) в конце изучения квантовой физики незначительно упал познавательный интерес, у 6 учащихся – повысился, у остальной половины класса остался на прежнем уровне. В среднем результате динамики не было выявлено вообще
Шестая контрольная группа (диаграмма 6) в соответствии со стартовым значением измеряемой величины соответствует достаточно высокомотивированной группе учащихся оценке, из них 6 уч-ся повысили стартовый результат на 1 балл, 3 уч-ся – понизили, остальные 17 уч-ся свое мнение при ответе на вопросы анкеты не изменили. Таким образом, именно 6 уч-ся внесли небольшой вклад положительную динамику, значение которой 0,08.
