Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. СУЩЕСТВУЮЩИЙ УЧЕБНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ 12
1.1. Физический эксперимент для изучения электромагнитных волн в методической и учебной литературе 12
1.1.1. Лекционные демонстрации электромагнитных волн.
1.1.2. Дидактические исследования учебного эксперимента с электромагнитными волнами.
1.1.3. Учебный эксперимент с электромагнитными волнами в школьных учебниках физики.
1.2. Доказательность фундаментальных учебных экспериментов по электродинамике 26
1.2.1. Закономерности создания новых элементов учебной физики.
Обоснование системы уравнений Максвелла.
1.2.3. Доказательство волновой природы физических явлений.
1.2.4. Последовательность экспе риментов, необходимых для доказательства волновой природы электро магнитного излучения.
1.2.5. Дидактические принципы построения си стемы учебного физического эксперимента для введения и формирования понятия электромагнитной волны.
1.3. Дидактические исследования учебных экспериментов по введению понятия электромагнитной волны 40
1.3.1. Дидактическое исследование демонстрации магнитного поля тока смещения.
1.3.2. Учебное исследование магнитного поля тока смещения.
1.3.3. Дидактическое исследование учебной теории магнитного поля тока смещения.
Глава 2. СИСТЕМА УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬ НОГО ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ 67
2.1. Оборудование для учебного эксперимента с электромагнитными волнами 67
2.1.1. Требования и принципы конструирования самодельных приборов.
Комплект приборов для учебных опытов с электромагнитными волнами.
Классификация генераторов высокой частоты.
2.1.4. Генератор ультравысокой частоты.
2.2. Экспериментальное обоснование системы уравнений Максвелла 81
2.2.1. Демонстрация электромагнитной индукции.
2.2.2. Магнитное поле тока смещения.
2.2.3. Вихревое электрическое поле.
2.2.4. Истоки и стоки электрического и магнитного полей.
2.3. Волновой характер электромагнитного излучения 97
2.3.1. Переход от закрытого контура к открытому.
2.3.2. Излучение электромагнитных волн полуволновым диполем.
2.4. Физические свойства электромагнитных волн 104
2.4.1. Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн и их физические свойства.
2.4.2. Практическое применение электромагнитного излучения.
Глава 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 130
3.1. Планирование педагогического эксперимента 130
3.1.1. Основные цели и задачи педагогического эксперимента.
3.1.2. Организация структуры педагогического эксперимента.
3.2. Организация констатирующего педагогического эксперимента и его результаты 135
3.2.1. Исследование начального уровня сформированности понятия электромагнитной волны.
3.2.2. Математическая обработка результатов педагогического эксперимента.
3.2.3. Проведение оценки степени оснащенности физического кабинета оборудованием для демонстраций с электромагнитными волнами.
3.3. Результативность разработанной методики формирования по нятия электромагнитной волны 143
3.3.1. Экспериментальное обоснование системы уравнений Максвелла.
3.3.2. Проведение экспертной оценки по определению учебности разработанных демонстрационных опытов при изучении системы уравнений Максвелла.
3.3.3. Математическая обработка результатов экспертной оценки.
3.3.4. Экспертная оценка учебности серии экспериментов по доказательству электромагнитной природы оптических явлений.
3.3.5. Основная система учебных опытов на уроке физики.
3.3.6. Апробация разработанной системы демонстрационных экспериментов.
3.3.7. Статистическая обработка результатов педагогического эксперимента.
3.4. Исследование доступности учебного оборудования, обеспечи вающего систему учебного эксперимента с электромагнитны ми волнами 159
3.4.1. Организация педагогического эксперимента по сборке генератора ультравысокой частоты.
3.4.2. Система учебных экспериментов в курсе общей и экспериментальной физики.
Заключение 175
Библиографический список 177
Введение к работе
Актуальность исследования. Понятие электромагнитной волны относится к фундаментальным понятиям физики. Введение и формирование этого понятия происходит при изучении основ электродинамики в старших классах средней школы. Учащиеся в процессе познавательной деятельности овладевают учебной теорией и учебным экспериментом, что в конечном итоге и приводит к формированию в их сознании понятия электромагнитной волны. Школьный вариант учебной теории электромагнитных явлений, как показано в монографии С. Е. Каменецкого и И. Г. Пустильника [49], представляет собой упрощенное, главным образом, качественное изложение основных идей Фарадея и Максвелла, поэтому роль учебного эксперимента в формировании понятия электромагнитной волны является определяющей: именно учебный эксперимент призван убедительно обосновать сам факт существования электромагнитных волн, выявить основные их свойства, показать возможности практического применения.
Теоретические основы, методика, техника и технология, направления развития, проблемы современного школьного учебного эксперимента рассмотрены в работах таких известных методистов, как Л.И.Анциферов [4, 5], А.И.Бугаев [12], Ю.И.Дик [31], В. А.Извозчиков [41], О. Ф.Кабардин [43, 44], В. Г. Разумовский [ 119, 123], С.А.Хорошавин [155,], Т.Н.Шамало [163, 164].
Вопросы экспериментального изучения электромагнитных явлений рассматриваются также в трудах Ю. Б. Альтшулера [2], В. И. Бокова [10], В.А.Бурова [6], С.Г.Калашникова [47], Н. И. Калитеевско-го [48], Г. С. Лансберга [182, 183], В.В.Майера [68], Б. Л. Марго лина [87], Б.Ю. Миргородского [89], Л.П. Стрелковой [137], Е.Ю.Тимофеева и К. М.Тимофеевой [142, 143] и др.
Разработке учебного эксперимента с электромагнитными волнами уделяли внимание многие исследователи. Особенно большой вклад в решение этой проблемы внесли Б. С. Зворыкин [37, 38, 39], С. Е. Ка-менецкий [49], Н.Н.Малов [21], Н. Я. Молотков [90, 92], Б. Ш. Пер-кальскис [ 106,107], Р. В. Поль [ 111 ], Н. М. Шахмаев [ 167,168,170, 171, 176], В.Ф.Шилов [177, 178], Б.М.Яворский [186, 187, 188]. Их трудами создано учебное оборудование и системы учебных экспериментов с электромагнитными волнами дециметрового и сантиметрового диапазонов.
Однако эти системы учебных экспериментов не дают последовательное экспериментальное обоснование системы уравнений Максвелла, следовательно, они не позволяют в полном объеме сформировать понятие электромагнитной волны. Доказательность описанных в литературе учебных опытов по существованию магнитного поля тока смещения (магнитоэлектрической индукции) вызывает сомнения. Использование при изучении переменного тока, электромагнитных колебаний и электромагнитных волн разных по принципу действия и конструкциям источников переменного напряжения не способствует формированию у учащихся представлений об общности изучаемых физических явлений. Наконец, практически во всех отечественных учебниках физики рекомендуются эксперименты с генератором и приемником сантиметровых электромагнитных волн, принцип действия которых непонятен учащимся, что не обеспечивает овладение ими основами метода научного познания, как того требует современный стандарт физического образования. Кроме того, в настоящее время школы, как правило, не располагают дорогостоящим и ненадежным оборудованием для опытов с электромагнитными волнами сантиметрового диапазона.
Анализ современных учебников физики, научно-методической литературы, современного стандарта образования и учебных программ позволил выделить противоречия:
1) между необходимостью экспериментального обоснования системы уравнений Максвелла (или положенных в ее основу физических идей, выдвинутых Фарадеєм и Максвеллом) и реально разработанными учебными экспериментами по электромагнитным явлениям;
2) между необходимостью экспериментального доказательства фундаментального факта существования магнитного поля тока смещения и недостаточной убедительностью описанных в методической и учебной литературе экспериментов;
3) между требованиями общества к овладению учащимися при изучении физики основами метода научного познания и невозможностью полной реализации этого требования в связи с отсутствием в школах учебного оборудования для постановки системы доказательного учебного эксперимента с электромагнитными волнами.
Указанные противоречия препятствуют достаточно эффективному решению задач физического образования учащихся средней школы. Поэтому актуальной является проблема создания и использования в школьном учебном процессе доказательного физического эксперимента, обеспечивающего формирование таких сложных понятий электродинамики, как ток смещения, электромагнитная и магнитоэлектрическая индукция, уравнения Максвелла, электромагнитная волна.
Объект исследования — совокупность элементов учебной физики для формирования фундаментального понятия электромагнитной волны.
Предмет исследования — содержание и методы учебного физического эксперимента для изучения электромагнитных волн.
Цель исследования заключается в совершенствовании учебного физического эксперимента по электромагнитным явлениям, обеспечивающего формирование фундаментального понятия электромагнитной волны в курсе физики средней школы.
Гипотеза исследования: Если устранить физические ошибки в учебной теории и учебном эксперименте, а также исправить недостатки традиционной методики изучения электромагнитных явлений в школе, то окажется возможным построение доступной системы учебного физического эксперимента, обеспечивающей корректное и эффективное формирование фундаментального понятия электромагнитной волны.
В соответствии с целью и гипотезой исследования были поста-в лены следующие задачи:
1. Провести анализ учебного физического эксперимента для фор-мирования понятия электромагнитной волны, представленного в научной, методической и учебной литературе; выявить недостатки традиционной методики изучения электромагнитных волн.
2. Разработать дидактические принципы построения системы учебного физического эксперимента для введения и формирования понятия электромагнитной волны.
3. Выявить и устранить физические ошибки в учебном эксперименте и в учебной теории по обоснованию магнитоэлектрической индукции; разработать систему учебных опытов по экспериментальному обоснованию системы уравнений Максвелла.
4. Разработать доступный на современном этапе вариант учебного оборудования, обеспечивающего создание удовлетворяющей дидактическим принципам системы доказательных экспериментов для формирования понятия электромагнитной волны.
5. Провести педагогический эксперимент с целью обоснования справедливости гипотезы исследования.
Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования: 1) изучение и анализ научной, учебной и методической литературы по теме исследования; 2) анализ обязательного минимума содержания физического образования, примерных программ среднего общего образования по физике, требований к уровню подготовки выпускников школ; 3) теоретическое и экспериментальное исследование известных элементов учебной физики; 4) опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; 5) педагогический эксперимент с учащимися школ, студентами и учителями физики для проверки эффективности разработанной методики и доступности учебного эксперимента; 6) тестирование, анкетирование, статистические методы обработки и качественный анализ результатов исследования.
Научная новизна исследования заключается в том, что: 1) разработан учебный эксперимент, доказывающий существование магнитного поля тока смещения; 2) предложена серия учебных экспериментов, обосновывающая систему уравнений Максвелла; 3) создана система из 26 учебных экспериментов с электромагнитными волнами дециметрового диапазона, обеспечивающая корректное и эффективное формирование фундаментального понятия электромагнитной волны.
Теоретическая значимость:
1. Показана физическая некорректность учебной теории и учебного эксперимента по доказательству существования магнитного поля тока смещения.
Выявлены и устранены недостатки учебного эксперимента, используемого в традиционной методике формирования понятия электро магнитной волны.
3. Сформулированы дидактические принципы построения системы учебного физического эксперимента для введения и формирования понятия электромагнитной волны.
Практическая значимость:
1. Разработанный комплект приборов для учебных опытов с электромагнитными волнами дециметрового диапазона доступен для самостоятельного изготовления в условиях физического кабинета средней школы.
2. Рекомендованная система учебных экспериментов может быть непосредственно использована на уроках физики при выполнении лабораторных работ физического практикума и во внеурочной познавательной деятельности учащихся и учителя.
Методологическую основу исследования составляют кон-цепция учебного и научного познания в обучении физике (В. Г. Разумовский [120, 121, 122]); основные законы дидактики физики (В.В.Майер [65, 66, 119]); сущность экспериментального метода при изучении физики (С. Е.Каменецкий [49, 171], Р. В. Майер [78, 81, 82], Е. С. Объедков [100, 101], С.А.Хорошавин [156, 157], Т.Н.Шамало [163, 164, 166], Н. М. Шахмаев [ 173, 174] и др.); дидактическая теория формирования физических понятий (Е. С. Агафонова (Мамаева) [1, 64, 85], И.Г.Пустильник [116, 117], А.В.Усова [144, 145], Т.Н.Шамало [165, 166]); идеи целостного подхода к методике формирования познавательной активности учащихся при обучении физике (В. С. Данюшен-ков [27]).
Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждаются статистически значимыми результатами педагогического эксперимента и положительными результатами экспертных оце нок, соответствием полученных результатов теоретическим положениям дидактики физики.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась в общеобразовательных школах г. Глазова, на физическом факультете ГОУ ВПО "Глазовский государственный педагогический институт имени В.Г.Короленко", на семинаре учителей физики северного куста Удмуртской Республики на базе Республиканской очно-заочной школы при МОУ "Физико-математический лицей" г. Глазова. Полученные результаты обсуждались на заседаниях научного семинара физического факультета Глазовского педагогического института (2002-2006 гг.), научно-практических конференциях (Екатеринбург, 2003 г., Глазов, 2003-2005 гг.). Основные результаты исследования представлены в 13 публикациях автора.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты дидактического исследования показали, что известные учебные эксперименты по обнаружению магнитного поля тока смещения индукционным и осциллографическим датчиками ошибочны, поэтому в учебном процессе их необходимо заменить физически корректным экспериментом.
2. Предлагаемая система учебных экспериментов по обоснованию системы уравнений Максвелла и изучению свойств электромагнитных волн обеспечивает корректное и эффективное формирование в сознании учащихся фундаментального понятия электромагнитной волны.
3. Разработанный комплект учебного оборудования доступен для изготовления учащимися и учителем физики, обеспечивает постановку демонстрационных и лабораторных экспериментов, удовлетворяет дидактическим требованиям к учебной экспериментальной технике.
