Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Содержание и методика демонстрационного физического эксперимента университетского курса физических и радиофизических специальностей 12
1.1 Развитие демонстрационного эксперимента в методике преподавания физики 12
1.2 Анализ общей ситуации демонстрационного физического эксперимента, применительно к вузу 15
1.3 Система демонстрационного физического эксперимента 20
1.4 Обзор имеющихся демонстрационных опытов по разделам курса общей физики «Электромагнитные поля», «Колебания и волны», «Оптика» 27
Глава 2 Разработка и создание демонстрационных опытов и установок 41
2.1 Визуализация линий электромагнитного поля в средах с резкими границами 42
2.1.1 Преломление силовых линий электрического поля на границе двух диэлектриков 42
2.1.2 Визуализация линий магнитного поля на границе двух магнетиков 47
2.1.3 Особенности структуры магнитного поля в нелинейном магнетике 57
2.2 Опыты по колебательным процессам 61
2.2.1 Многоцелевая демонстрационная установка по колебательным процессам в линейных системах с одной и двумя степенями свободы.,,61
2.2.2 Многофункциональная установка с применением компьютерных технологий для демонстрации вынужденных колебаний в нелинейном колебательном контуре 69
2.3 Опыты с поверхностными волнами 89
2.3.1 Демонстрация эффекта Доплера на поверхностных волнах 89
2.3.2 Интерференция вторичных волн на поверхности воды (прямая демонстрация принципа Гюйгенса-Френеля) 99
2.3.3 Демонстрация нелинейных проявлений гравитационно-поверхностных волн 105
2.4 Моделирование интерференционных опытов с помощью муаровых структур 121
2.5 Поляризационные эффекты при отражении электромагнитных волн от диэлектрических и металлических поверхностей 129
2.5.1 Отражение света от диэлектрических и металлических поверхностей 129
2.5.2 Поляризационные эффекты в опыте с зеркалом Ллойда 144
Глава 3 Методика применения разработанных демонстрационных установок. Педагогический эксперимент по оценке эффективности применения лекционных демонстраций 158
3.1 Методика применения авторских установок в учебном процессе при обучении физике в высшей школе 158
3.2 Педагогический эксперимент по оценке эффективности использования системы физического эксперимента-в учебном процессе 161
Заключение 170
Литература 172
Приложения 187
- Развитие демонстрационного эксперимента в методике преподавания физики
- Визуализация линий магнитного поля на границе двух магнетиков
- Методика применения авторских установок в учебном процессе при обучении физике в высшей школе
Введение к работе
Учебный предмет «Физика», представляющий собой педагогически адаптированную совокупность физических знаний и умений, выполняет важнейшие образовательные и воспитательные функции. Проблемой создания целостной системы физического образования подрастающего поколения, удовлетворяющей запросам научно-технического прогресса, интенсивно занимается большое количество преподавателей физики, учёных-педагогов, психологов, методистов как у нас в стране, так и за рубежом. Эта проблема затрагивает такие актуальные вопросы, как содержание школьного и вузовского физического образования, соотношение эксперимента и теории в обучении, воспитание творческого мышления, изучение основных физических понятий, использование истории и методологии физической науки в преподавании, создание учебников и учебных пособий и целый ряд других.
В преподавании физики, в формировании естественнонаучного мировоззрения студентов важную роль играет экспериментальная основа физической науки, в которой эксперимент служит источником познания материального мира и критерием истинности теоретических положений. Эксперимент, являясь одним из основных методов исследования в науке, при обучении физике выступает как объект изучения и одновременно и как метод обучения. Методически обоснованной постановкой эксперимента, раскрывающего научные основы изучаемых теорий и обеспечивающего результативную познавательную деятельность обучаемых, может быть достигнута надлежащая эффективность учебного процесса в подготовке современных специалистов. Весьма большую и очень важную часть учебного эксперимента составляют лекционные демонстрационные опыты, имеющие специфические дидактические задачи и методику проведения.
История развития демонстрационного эксперимента уходит в далёкое
прошлое - когда физические законы и открытия утверждались
убедительностью демонстрации правильно проведённых опытов. Длительное
время физическое образование в России основополагалось на экспериментальном методе обучения, изучалась т. н. приборная физика. Практически любой из издававшихся учебников по физике содержал описание опытов, наглядно подтверждающих явления природы, процессов, свойства физических объектов. Многочисленны и специальные публикации, посвященные физическим демонстрациям. Многие классические демонстрационные эксперименты стали своеобразной базой для становления современных организационных форм научного и учебного эксперимента в нашей стране. Отметим в то же время, что повышенный интерес к демонстрационным экспериментам для высшей школы со стороны педагогики наметился к 50 годам XX века. Систематическими исследованиями в этом направлении является труд под редакцией проф. В.И. Ивероновой «Лекционные демонстрации по физике», большой вклад в это дело внесли А.Б. Млодзиевский, Б.Ш. Перкальскис, Н.М. Шахмаев, Н.Я. Молотков, Н.И. Калитиевский, Б.Б. Кудрявцев, В.В. Майер и многие другие. Значительное внимание лекционному эксперименту уделено в монографиях «Колебания и волны» Г.С. Горелика, «Физическая оптика» Р. Вуда, «Волновая оптика» Н.И. Калитиевского, учебниках «Электричество» С.Г. Калашникова, «Курс общей физики» Д.И. Сивухина и т.д. Большое количество монографий, публикаций в журналах и научно-методической литературе по физическому эксперименту, несомненно, подтверждают его значимость в учебном процессе.
Следуя за развитием науки, преподавание непрерывно меняет сложившиеся формы и традиции, ведёт поиск новых методов обучения. Появление новых, более сложных разделов физики требует изучения ряда явлений, эффектов и в курсе общей физики, для чего необходимы демонстрационные эксперименты. Отсутствие соответствующих наглядных демонстраций приводит к математической формализации курса, «меловой» физике, снижая интерес к изучаемой дисциплине. Лекционный эксперимент, как неотъемлемая часть вузовского физического образования, на
современном этапе развития научно-технического прогресса требует как модернизации имеющихся установок, так и разработки новых на основе современных компьютерных технологий. Необходима соответственно и разработка новых методик использования демонстрационных экспериментов в учебном процессе. Немаловажное значение при этом имеют высказывания и мнения со стороны профессорско-преподавательского состава, читающих курс физики. Пожелания, сформулированные с их стороны относительно ряда физических явлений, процессов, для демонстрации которых целесообразно разработать новые лекционные опыты, должны приниматься во внимание в первую очередь.
На основе проведённого анализа современных учебников,
диссертационных исследований (Перкальскис Б.Ш., Ларин В.Л.,
Сотириади Г.Н., Егоров Г.С, МайерВ.В., Селиверстов А.В., Якута А.А., Чирков А.Е. и др.) и научно-методической, технической литературы по демонстрационному эксперименту, требований государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и учебных программ по подготовке выпускника по специальности Радиофизика (01.38.00) и специальности Физика (01.04.00) на наш взгляд можно выделить следующие противоречия:
Между современными требованиями подготовки студентов физических и радиофизических специальностей, задачами изучения сложных вопросов современной физики (нелинейные колебания и волны, электромагнитные поля, оптика, оптика металлов, и т. д.), и существующим содержанием и методикой учебного демонстрационного эксперимента курса физики.
Между необходимостью формирования экспериментального базиса для наглядного представления важнейших понятий и законов университетского курса физики и отсутствием соответствующих демонстрационных установок и методики их использования в учебном процессе. Поэтому учебно-методический комплекс общей физики в классическом университете не
является завершённым в ряде разделов курса, не охватывает содержание современной подготовки специалистов.
Между требованиями к современному учебному процессу в высшей школе (активность, творческое применение знаний, самостоятельное развитие и применение учебного материала лекций) и существующими стереотипами в постановке демонстрационных экспериментов и организации учебного процесса.
Между потребностью в новых приборах и отставанием разработчиков в их изготовлении - несвоевременным и неэффективным поступлением в учебный процесс новых образовательных технологий (в т.ч. и цифровых).
Поэтому актуальной является проблема разработки новой системы демонстрационного эксперимента для изучения ряда сложных современных вопросов университетского курса физики в подготовке студентов физических и радиофизических специальностей. Эта система должна включать в себя новые устройства, соответствующие способы, технику их применения в учебном процессе и методику изучения демонстрируемых физических процессов и явлений, методику применения физического содержания демонстрационных экспериментов в дальнейшем учебном процессе.
Объект исследования данной диссертационной работы - учебный процесс изучения физики в классическом университете (физические и радиофизические специальности).
Предмет исследования - система демонстрационного физического эксперимента в процессе изучения современных разделов курса общей физики - «Электромагнитные поля», «Линейные и нелинейные колебательные и волновые процессы», «Оптика».
Цель исследования - разработка системы демонстрационного физического эксперимента для физических и радиофизических специальностей классических университетов, для разделов и тем общего курса физики, не обеспеченных им в должной мере.
Гипотеза исследования: создание и использование системы демонстрационного эксперимента для изучения современных разделов курса общей физики классического университета позволит повысить качество усвоения сложного учебного материала студентами средствами учебно-методического комплекса подготовки физиков и радиофизиков в классическом университете.
В соответствии с целью и гипотезой исследования в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
Провести анализ учебной, методической, технической литературы по демонстрационному эксперименту, современных учебников по физике и в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта профессионального высшего образования и учебных программ по подготовке выпускника по специальностям «физика» и «радиофизика» выявить темы современной физики, не обеспеченные в полной мере соответствующим демонстрационным экспериментом.
Разработать установки для демонстрации важных и наиболее проблемных явлений и законов курса общей физики по выявленным современным темам и разделам: «Электромагнитные поля», «Линейные и нелинейные колебательные и волновые процессы», «Оптика».
Разработать методику применения созданных демонстрационных установок.
Определить методические условия эффективного использования созданных установок в учебном процессе при подготовке физиков и радиофизиков.
Научная новизна результатов исследования состоит в том, что учебно-методический комплекс современной подготовки физиков и радиофизиков в классическом университете дополнен разработанной системой физического демонстрационного эксперимента по новым и сложным разделам курса общей физики, включающей новые демонстрационные опыты, установки и методику их применения в учебном процессе.
\
Теоретическая значимость:
Показана необходимость и возможность расширения экспериментальной базы в ряде разделов и тем университетского курса физики для создания полноценного учебно-методического комплекса в подготовке физиков и радиофизиков. Определены профессионально-направленные темы и разделы курса физики классического университета, требующие разработки нового демонстрационного эксперимента.
Разработана система демонстрационного физического эксперимента для эффективной подготовки современных специалистов- физиков на основе дидактических и методических принципов, применяемых в высшей школе.
Описаны методические условия эффективного использования разработанных демонстрационных установок в учебном процессе.
Практическая значимость:
Разработано 10 оригинальных демонстрационных установок, с помощью которых возможно показать более 40 демонстрационных опытов, внедрённых в учебный процесс ННГУ. Описаны методические рекомендации по использованию разработанных установок и устройств в учебном процессе.
Достоверность и обоснованность:
Целесообразность применения разработанной системы
демонстрационного эксперимента и достоверность результатов исследования подтверждается экспертными оценками и результатами педагогического эксперимента. Необходимость использования предлагаемых установок и устройств обосновывается созданием полноценного учебно-методического комплекса курса общей физики.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в течение чтения лекций по физике на физическом, радиофизическом и др. факультетах ННГУ, имеющих естественнонаучные дисциплины, на базовом факультете ИПФ РАН - высшей школы общей и прикладной физики. Основные результаты диссертации докладывались на научно-методических
семинарах кафедры общей физики радиофизического факультета ННГУ, семинаре «Современные методы активизации творческой способности в процессе подготовки инженеров» (Севастополь, 1991), на 5 научных конференциях по радиофизике (Н.Новгород, ННГУ - 1998, 2002, 2003, 2004, 2006 г.г.), научно- методических конференциях "Курсу физики - технические средства поддержки» (Екатеринбург, У ПИ, 1992) и IX региональной «Оптимизация учебного процесса» (ННГУ, 1994), III Всероссийской конференции "Управление и информатизация" (Н.Новгород. 1994), VI Всероссийской научно- технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Н.Новгород, НГТУ, 2002), Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии N1» (Москва, 2005), Международной научно-практической конференции Герценовские чтения «Актуальные проблемы обучения физике в средней и высшей школе» (С.П-б, РГПУ 2009).
На защиту выносятся следующие положения:
Внедрение разработанной системы позволило существенно дополнить учебно-методический комплекс подготовки физиков и радиофизиков в классическом университете. Разработанная в ходе исследования система демонстрационного эксперимента содержит новые устройства, модернизированные и усовершенствованные установки, технику и методику их применения в учебном процессе, что позволяет полноценно представить содержание проблемных разделов и тем курса общей физики.
Разработанная система демонстрационного физического эксперимента успешно реализует общедидактические принципы научности и наглядности обучения, принцип необходимости внутрипредметных связей и генерализации обучения, обеспечивает методическую вариативность учебного процесса.
Разработанная система демонстрационного эксперимента поддерживает полноценный учебный процесс по профессинально-направленным разделам
университетского курса физики: «Электромагнитные поля», «Колебания и волны», «Оптика», обеспечивая мотивацию учебной деятельности, активизацию познавательной деятельности обучаемых в ходе демонстрации, предполагает активное использование результатов эксперимента в ходе семинарских, практических, лабораторных занятий.
Диссертационная работа общим объёмом 199 стр, включающая введение, три главы, заключение, библиографию и приложение, содержит основного текста 186 стр., библиографии 167 наименований, таблиц 6, рисунков 82, приложение 13 стр.
Развитие демонстрационного эксперимента в методике преподавания физики
Исключительная важность использования лекционных демонстрационных опытов при изучении физических дисциплин неоднократно подчёркивалась в литературе. Демонстрационный эксперимент всегда являлся своеобразным базисом в развитии физики как науки -физические законы и открытия утверждались убедительностью демонстрации опытов. В первых русских учебниках физики ставилась задача показать учащимся ведущую роль эксперимента в развитии знаний о природе. Намечая методическую схему изучения явлений, в предисловии к переводу «Волфианской экспериментальной физики» М.В. Ломоносов в начало ставит основные опыты и через них путь к теоретическим выводам ...«начинающим учиться физике наперёд предлагаются ныне обыкновенно нужнейшие физические опыты, совокупно с рассуждениями, которые из оных непосредственно и почти очевидно следуют» [79; с. 126]. По существу этот перевод являлся руководством, по которому необходимо показывать и объяснять физические опыты. Развитие физики, как учебного предмета начиналось с так называемой «приборной физики» — изучалось устройство физических приборов и инструментов, теоретическим же вопросам отводилось незначительное время. С развитием физической науки изучению теории, основных физических законов и принципов с середины XIX века стало уделяться должное внимание. В первых учебных программах указывалось, что физические законы должны выводиться из опытов, а преподавание физики, как науки опытной без приборов для производства опытов немыслимо [44, с.65]. Признавая исключительную роль демонстрационного эксперимента в обучении физике, изготовление оборудования и приборов осуществлялось на весьма высоком техническом уровне, о качестве которого можно судить по тем весьма малочисленным, ставшими музейными, но ещё действующим по сей день экспонатам. Количество приборов по физике уже в начале XX века было не так мало, как это можно видеть из каталога 1900 г. «Физика» [145]. Ознакомившись с проспектом «Нормальный список приборов и книг по физике» [97] можно сделать заключение о попытке систематизировать выпуск приборов. А.В. Ельцов [44, с.75], осветивший в частности, в своём диссертационном исследовании хронологическую последовательность развития прогрессивных идей в преподавании физики на основе эксперимента, приводит некоторые идеи известного физика-методиста XIX в. Н.С. Дрентельна относительно методических требований к демонстрационному опыту «...прибор должен служить не целью, а средством изучения того или иного физического явления, должен быть прост, нагляден и убедителен; ход опыта должен быть ясен во всех подробностях». Фактически это были начинания по разработке методики и техники учебного физического эксперимента.
Что касается Советского периода, становление государства начиналось с поднятия производства. Это в свою очередь отразилось и на образовании. Д.Д. Галанин, обращая внимание на тесную связь физики с производством, перенес в область учебного оборудования прогрессивные производственные принципы стандартизации и взаимозаменяемости узлов и деталей приборов, что и отражено в «Проспекте учебно-наглядных пособий для технических кабинетов учебных заведений и предприятий» изд. 1938 г. [ИЗ]. Д.Д. Галанин, Е.Н. Горячкин, С.Н.Жарков и др. в 1934-1941 г.г. издали энциклопедию «Физический эксперимент в школе» в шести томах, подробно описали и обобщили различные опыты и приборы по всем разделам школьной физики [147]. Придавая особое значение формированию научного мировоззрения учащихся средствами демонстрационного эксперимента, ведущие специалисты в области методики преподавания физики А.И. Глазырин, Е.Н. Горячкин, Б.С. Зворыкин, СЕ. Каменецкий, А.А. Покровский, В.Г. Разумовский, И.М. Румянцев, Н.М. Шахмаев и др., в 50-х годах проделали большую работу по созданию оригинальных приборов [20,21]. Основной целью разработанных учебных приборов являлось повышение наглядности в преподавании и установление наиболее тесной связи физики с техникой, производством и повседневной жизнью.
Визуализация линий магнитного поля на границе двух магнетиков
Условия (4), (5) в принципе позволяют рассчитать поля внутри полостей, вырезанных в однородном магнетике по известному значению поля вне (или, точнее, в отсутствие) этой полости; обычно в учебниках эти вопросы затрагиваются в связи с проблемой прямого (силового) измерения полей в веществе [128]. В частности, внутри узкой прямой щели, ориентированной параллельно внешнему полю, согласно (5) поле Н оказывается таким же, как вне её, а для полости в виде тонкого диска, плоская поверхность которого перпендикулярна внешнему полю, из (4) следует равенство индукции В с её внешним значением. Демонстрационные опыты по измерению магнитных полей в таких полостях описаны в [120, 121]. Отметим также, что для эллипсоидальной формы полости поле внутри её оказывается строго однородным независимо от ориентации полости; наиболее просты расчёты в случае шара [128]. Все эти утверждения остаются в силе и в "обращенной" ситуации, когда образец магнетика соответствующей формы помещён в однородное внешнее поле (в вакууме или другой однородной среде).
Однако при попытке поставить опыты, демонстрирующие соответствующие картины силовых линий способом визуализации магнитных полей с помощью железных опилок, выясняется, что получить удовлетворительные по качеству картины в присутствии резких границ не так просто по нескольким причинам. Заметим, прежде всего, что согласно (5) в плоскости индикаторной пластинки, на которую насыпаются опилки, должна воспроизводиться составляющая вектора Н, тангенциальная к ней. Однако, само внесение такой пластинки неизбежно делает как среду, так и соответствующие поля неодномерными. Например, в случае рис. 4 при расположении этой пластинки в плоскости XY оба магнетика (при Y 0 и Y 0) оказываются ограниченными и по оси Z, в результате в окрестности границы раздела Y-0, т.е. рёбер образцов, появляется значительная составляющая #,, из-за которой крупинки опилок встают "торчком" к плоскости наблюдения, и картина силовых линий в окрестности границы Y=0 должным образом не прорисовывается. Во вторых, наводимый у железных опилок внешним полем магнитный момент не только приводит к нужному для демонстрационных целей выстраиванию их вдоль силовых линий, но и к силовому взаимодействию опилок с границей раздела, которые можно интерпретировать как взаимное притяжение или отталкивание наводимых магнитных диполей и их зеркальных отражений. В результате, как нетрудно понять, опилки, находящиеся на стороне с меньшим значением /А будут подтягиваться к границе, а на противоположной, наоборот, отталкиваться от неё, и наиболее интересная область поля, примыкающая к поверхности раздела сред, оголяется. Оба эффекта особенно сильны при большой разнице между jux и ju2. В третьих, вообще слишком большое отношение //,///, неудобно и тем, что согласно (6) уже при малых значениях угол преломления а2 становится близким к тс/2 и вариация практически не сказывается на получающейся картине. Пример такой картины для границы ферромагнетик — вакуум, когда существенны все три вышеупомянутые фактора, ухудшающих картину силовых линий, приведён на рис. 5, где в качестве ферромагнетика взята стальная пластина (пермаллой, ju 1000). Поэтому для демонстрационных опытов удобнее использовать материалы, магнитная проницаемость которых не превышает десятка.
Методика применения авторских установок в учебном процессе при обучении физике в высшей школе
На разработанных нами установках опыты показываются в соответствии с изложенной методикой и техникой по их проведения. Организованный таким образом демонстрационный эксперимент, применяется в учебном процессе, исходя из изложенных в разделе 1.3 методических условий.
Ставится «проблемная» ситуация - обдумывание варианта опыта или нового, а затем показ этого опыта. Предлагается проведение будущего опыта, предсказание результата эксперимента обучаемыми, что фиксируется обучаемыми. Для организации активной познавательной деятельности студентов нами были разработаны рабочие листы с заданиями, которые студенты должны заполнить до наблюдения опыта (готовясь к демонстрации - здесь мы судим, насколько они готовы к восприятию), в процессе проведения демонстрации, отмечая, что они наблюдают, а в ряде случаев по итогам проведённого эксперимента для проверки степени усвоения изучаемого вопроса.
Вопросы и задания опросных листов группировались по следующим признакам деятельности обучаемых:
1. Проверяющие задания - на знание усвоения физического содержания, наблюдаемого в эксперименте.
2. Вопросы и задания на выявление причинно-следственной связи -понимание на применение увиденного.
3. Задания на логическое применение физической теории, которая следует из эксперимента, но полностью в него не входит — глубокое усвоение, творческое применение в новых условиях.
Работа над заданиями рабочих листов - способ организации познавательной деятельности обучаемых. Результаты работы с этими листами - объект контроля усвоения знаний обучаемыми на основе физического содержания проведённого демонстрационного опыта. Такая организация даёт нам объект деятельности студентов (нет деятельности, нет усвоения, по выражению В.А. Сухомлинского «думанье — в делание» [144]), студент должен что-то сделать, чтобы доказать, что он думал, чтобы доказать, что он понял, результат познавательной деятельности студентов есть и объект контроля усвоения знания (в частности и на основе физического содержания эксперимента).
Приведём пример применения установки [60], которая демонстрируется в ходе лекции при изучении темы «Свободные и вынужденные колебания в электрическом контуре». Основой установки является контур с катушкой индуктивности L, конденсатором С и резистором R, соединёнными последовательно. Наблюдение электрических колебаний в одном из элементов контура осуществляется на экране осциллографа.
Демонстрируя осциллограммы собственных затухающих колебаний, обращают внимание на их непериодический характер, но обладающих известной «повторяемостью». Проблемную ситуацию в данном случае можно создать, например, иллюстрируя зависимость «периода» колебаний при варьировании значения L, С, R. Здесь немаловажным обстоятельством является вовлечение студентов в экспериментальное исследование на начальном этапе демонстрации. При проведении эксперимента по вынужденным колебаниям в контуре, полезно обратить внимание студентов, что максимальная амплитуда напряжения на L, С, и R достигается при различных частотах генератора. Студенты должны убедиться, как изменяется вид резонансной кривой от параметров контура, дать этому самостоятельное объяснение. Процессы установления вынужденных колебаний в контуре имеют большое значение в практическом их использовании, поэтому и изучению этих явлений должно быть уделено особое внимание.
