Содержание к диссертации
Введение
1. Демонстрационный эксперимент на лекциях по волновой оптике в вузе (по данным литературы) 23
1.1. Предпосылки применения средств наглядности на лекциях по общей физике 23
1.2. Развитие демонстрационного физического эксперимента 28
1.3. Проблемы применения демонстрационного эксперимента на лекциях по общей физике 34
1.4. Современные технические средства для демонстрации явлений волновой оптики и направления их развития 47
1.5. Краткие итоги главы 1 61
2. Лекционные демонстрации для раздела «Волновая оптика» как методическая система 63
2.1. Компоненты методической системы лекционных демонстраций по волновой оптике 63
2.2. Методы и формы работы с применением лекционных демонстраций по волновой оптике
2.3. Средства реализации лекционных демонстраций по волновой оптике и требования к ним 81
2.3.1. Демонстрационные приборы 84
2.3.2. Компьютерные программы 103
2.4. Оценка эффективности системы лекционных демонстраций . 121
2.5. Краткие итоги главы 2 125
Примеры реализации лекционных демонстраций по волновой оптике 127
3.1. Компьютерные модельные демонстрации 128
3.1.1. Кольца Ньютона 129
3.1.2. Интерферометр Майкельсона 135
3.1.3. Интерференционное просветление оптики 142
3.1.4. Формирование оптического изображения 148
3.2. Натурные качественные демонстрации 158
3.2.1. Кольца Ньютона 158
3.2.2. Опыт Юнга 165
3.2.3. Модовый состав излучения лазера 168
3.3. Натурные количественные демонстрации 171
3.3.1. Закон Малюса 171
3.3.2. Рассеяние поляризованного света 175
3.3.3. Измерительный интерферометр 179
3.4. Композитные демонстрации 184
3.4.1. Кольца Ньютона 184
3.4.2. Интерферометр Майкельсона 186
3.4.3. Пространственная и временная когерентность 188
3.4.4. Формирование оптического изображения 189
3.4.5. Специальные методы наблюдения 190
3.5. Краткие итоги главы 3 193
Организация, проведение и результаты педагогического эксперимента 194
4.1. Общая характеристика 194
4.2. Констатирующий эксперимент 196
4.3. Поисковый эксперимент 202
4.4. Обучающий эксперимент 210
4.5. Краткие итоги главы 4 231
Заключение 232
Литература 235
Приложения 253
- Предпосылки применения средств наглядности на лекциях по общей физике
- Компоненты методической системы лекционных демонстраций по волновой оптике
- Компьютерные модельные демонстрации
Введение к работе
Лекционный эксперимент является важнейшим компонентом вузовского физического образования. Как и другие виды учебного эксперимента, он требует развивающейся и обновляемой материальной базы, использования современных технологий. Однако одним из последних крупных систематических исследований в этом направлении для высшей школы следует считать труд коллектива авторов кабинета физических демонстраций физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова под редакцией проф. В.И. Иве-роновой [31], последний раз переиздававшийся в 1972 г.
В его основе лежит описание и систематизация физических демонстраций для курса экспериментальной физики, начатая в 1939 г. на физическом факультете Московского университета по инициативе А.С. Предводителе-ва А.Б. Млодзеевским, Р.В. Телесниным и М.А. Грабовским. Значительная часть этих демонстраций была создана еще во времена А.Г. Столетова, П.Н. Лебедева и Н.А. Умова при непосредственном участии И.Ф. Усагина. Впоследствии созданием и усовершенствованием демонстрационных экспериментов на физфаке МГУ занимались Г.С. Ландсберг, А.Б. Млодзеевский, С.Г. Калашников, СП. Стрелков, С.Э. Хайкин, В.И. Иверонова, К.П. Яковлев, И.А. Яковлев, С.А. Ахманов, Н.И. Коротеев и многие другие [38].
В первой половине 80-х годов XX века вышли книги «Лекционные эксперименты по оптике» (под ред. Н.И.Калитеевского, 1981 [84]), «Волновые явления и демонстрации по курсу физики» (Б.Ш. Перкальскис, 1984 [86]), «Лазеры и их применение в преподавании физики» (А.Н. Мансуров, 1984 [64]) и «Лазеры в лекционном эксперименте» (В.А. Алешкевич, Д.Ф. Киселев, В.В. Корчажкин, под ред. Л.В. Левшина, 1985 [4]), описывающие использование лазеров в демонстрационном эксперименте. Однако с тех пор и в науке, и в педагогических технологиях, и в системе высшего образования
произошли серьезные изменения.
Изменение социально-экономической ситуации в стране привело к необходимости поиска и использования возможно менее затратных педагогических технологий. В применении к лекционному эксперименту это означало широкое использование компьютерного моделирования, постепенную замену парка стареющего демонстрационного оборудования компьютерными программами, частичное вытеснение натурного эксперимента модельным. Известно большое число вариантов реализации подобных компьютерных демонстраций, выполненных в разное время в различных вузах России. Они не отличаются систематичностью подхода к методике показа и к отбору необходимых для реализации экспериментов, соответствуя, как правило, областям узкой профессиональной специализации разработчиков.
Помимо очевидной опасности подмены наблюдения реального физического явления изучением поведения его модели, на этом пути развития есть немало «подводных камней». Кроме чисто методических возражений, это не вполне корректно с методологической точки зрения: ведь только натурный физический эксперимент — источник познания объективного мира.
Но широчайшие возможности современных ПЭВМ могут служить и для развития натурного эксперимента. Мультимедийные технологии и элементная база современной техники, сделавшие за последние 10 лет огромный скачок вперёд, позволяют создавать достаточно простые в реализации автоматизированные установки. Стало возможным как повторять на качественно новом уровне эксперименты, по праву считающиеся классическими, так и разрабатывать принципиально новые демонстрации. Особый интерес представляют собой количественные демонстрации, сочетающие наблюдение реального физического процесса или явления с применением различных методик и алгоритмов обработки получаемой информации с помо-
щыо компьютера в режиме реального времени. При этом относительная дешевизна таких элементов ПЭВМ, как звуковые карты или устройства видеозахвата, позволяет ориентироваться на их использование для развития лекционного эксперимента в широком круге учреждений высшего образования России.
Парк традиционных качественных экспериментов по волновой оптике также может быть существенно обновлён. Это связано с появлением и развитием новых видеопроекционных технологий, использующих, например, мультимедийные проекторы. Их применение способствует и более широкому использованию иллюстративных материалов, в том числе экранно-звуковых пособий. Через сеть Интернет доступно большое количество подобных материалов, посвященных современным фундаментальным и прикладным исследованиям в области оптики (от лазерного термоядерного синтеза до оптических методов дистанционного исследования поверхности Земли с искусственных спутников), но их использование на лекциях по общей физике затруднено сложностью поиска, отсутствием систематического каталога, адаптированного к нуждам высшей школы, и неразработанностью методики применения на лекциях.
Таким образом, наблюдается ряд противоречий: между устаревшим парком демонстрационного оборудования и потребностями вузов в лекционном эксперименте нового поколения, а также между имеющимися возможностями поддержки процесса преподавания курса общей физики в вузе современными лекционными демонстрациями и недостатком специальных приборов, отсутствием системного подхода к их созданию и неразработанностью методики применения в практике преподавания. Эти противоречия определили актуальность проводимого исследования и выбор его темы: «Современные лекционные демонстрации по разделу «Волновая оптика»
курса общей физики».
Объект проводимых исследований — преподавание раздела «Волновая оптика» курса общей физики.
Предмет исследования — цели, содержание, структура, методы, средства и формы лекционных демонстраций для раздела «Волновая оптика».
Гипотеза исследования, конкретизированная в ходе самого исследования, заключалась в следующем: создание и использование демонстраций, основанных на применении современных информационных технологий совместно с традиционной методикой проведения демонстрационного эксперимента для комплексного использования средств наглядности позволит повысить эффективность лекций по разделу «Волновая оптика» курса общей физики.
Целью исследования являлась разработка системы лекционных демонстраций по волновой оптике для использования в педагогической практике вуза в рамках курса общей физики.
Задачи исследования:
анализ существующих средств лекционного сопровождения;
выявление направлений развития лекционных демонстраций;
формулировка комплекса требований к вновь создаваемым или модернизируемым лекционным демонстрациям;
анализ возможных целей, содержания и структуры методической системы лекционных демонстраций;
выявление содержащихся в курсе элементов знаний, требующих создания и/или модернизации лекционных демонстраций;
создание в рамках разработанной методической системы ряда лекционных демонстраций по волновой оптике;
- проведение педагогического эксперимента в целях проверки гипотезы
исследования.
В ходе исследования применялись следующие методы и виды деятельности:
анализ методической, научно-технической и учебной литературы, диссертационных работ, учебных программ, каталогов учебного оборудования, в том числе доступных через сеть Интернет;
конструирование и изготовление новых образцов демонстрационной техники;
создание демонстрационных компьютерных программ;
совершенствование учебных приборов и способов демонстрации известных экспериментов;
системный подход к разработке, созданию и использованию лекционных демонстраций;
обобщение и систематизация личного опыта и опыта коллег в области создания и использования демонстрационных экспериментов в высшей и средней школе;
проведение педагогического эксперимента и анализ его результатов;
обобщение и распространение результатов работы посредством публикаций, чтения лекций и ассистирования на лекциях, участия в научно-методических конференциях и т.п.
Базой исследования служили парк физических демонстраций Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, опыт и традиции преподавания физики в МГУ.
Научная новизна результатов исследования. 1. Введено понятие композитной демонстрации. Под композитной демонстрацией предложено понимать совокупность взаимосвязанных лекци-
онных демонстраций различных видов (иллюстрации; натурные количественные и/или качественные эксперименты; модельные эксперименты), показывающих одно и то же явление с разных сторон и позволяющих осуществить сравнение результатов.
Комплекс требований к современным лекционным демонстрациям дополнен двумя требованиями: вариативность по цели и содержанию; соответствие программе курса с возможностью расширения и углубления содержания учебного материала.
Сформулированы требования к демонстрационным компьютерным про-| граммам: интерактивность; использование схематизированной экспериментальной установки в качестве метафоры интерфейса; оптимизация содержания окна программы; реалистичность изображений; отображение количественных результатов; универсальность управления и его быстрота; подбор начальных параметров для получения наглядного результата моделирования; переносимость (интероперабельность).
Предложены критерии оценки эффективности систем лекционных демонстраций: объём знаний, действенность знаний, интерес к изучаемому материалу, осознание важности изучаемого материала.
Разработана методика проведения новых и модернизированных демонстраций по 6 темам раздела «Волновая оптика» курса общей физики.
Разработана методика проведения композитной демонстрации.
Разработана и реализована методическая система лекционных демонстраций.
Теоретическая значимость результатов исследования: - показана целесообразность комплексного применения иллюстративных материалов и демонстрационных экспериментов на лекциях по волновой оптике;
расширен понятийный аппарат методики учебного физического эксперимента, введено понятие композитной демонстрации;
выявлены элементы знаний по волновой оптике, требующие лекционного сопровождения;
сформулированы требования к средствам реализации лекционных демонстраций по волновой оптике.
Практическая значимость результатов исследования:
разработаны и созданы 28 модельных, 7 натурных количественных, 6 натурных качественных и 13 композитных демонстраций по волновой оптике;
модернизированы 1 модельная, 7 натурных количественных и 13 натурных качественных демонстраций по волновой оптике;
разработаны методика показа вновь созданных и модернизированных лекционных демонстраций и описания методов, форм и приёмов по их использованию.
Созданные и модернизированные демонстрации могут быть использованы для экспериментальной поддержки преподавания раздела «Волновая оптика» курса общей физики в высшей школе.
Полученные в работе результаты могут быть применены для создания других лекционных демонстраций для различных разделов курса общей физики, что даёт возможность сделать учебный демонстрационный и лабораторный эксперимент значительно более современным.
Результаты педагогического эксперимента позволяют считать, что содержащиеся в диссертации выводы и рекомендации будут способствовать повышению эффективности обучения студентов физических и технических вузов, что свидетельствует о перспективности результатов исследования для внедрения в практику лекционной работы.
На защиту выносятся следующие положения.
Комплексное применение современных технологий, в том числе информационных, в сочетании с традиционными технологиями приводит к целесообразности введения понятия «композитная демонстрация», которая представляет собой совокупность взаимосвязанных лекционных демонстраций различных видов, показывающих одно и то же явление с разных сторон и позволяющих осуществить сравнение результатов.
Требования, предъявляемые к вновь создаваемым или модернизируемым компьютерным программам, использующимся в вузовских лекционных демонстрациях по волновой оптике, на современном этапе целесообразно дополнить следующими: интерактивность; использование схематизированной экспериментальной установки в качестве метафоры интерфейса; оптимизация содержания окна программы; реалистичность изображений; отображение количественных результатов; универсальность управления и его быстрота; подбор начальных параметров для получения наглядного результата моделирования; переносимость (интероперабельность).
Совокупность лекционных демонстраций по волновой оптике должна преследовать, в первую очередь, цели индуктивного получения знаний и проверки дедуктивно полученных знаний, а также учитывать цели мотивации учебной деятельности и иллюстрирования; по содержанию она должна соответствовать программе сопровождаемого курса, а по структуре — быть адекватной соответствующей научной теории.
Для оценки эффективности методики применения демонстраций на лек-| циях по волновой оптике целесообразно использовать следующие критерии: объём знаний; их действенность; мотивация учения; осознание
обучаемыми важности изучаемого материала. Апробация результатов исследования осуществлялась в ходе участия автора в 14 научно-методических конференциях. Результаты исследования докладывались на следующих конференциях:
Пятая международная конференция «Физика в системе современного образования» — Санкт-Петербург, 21-24 июня 1999 г.
Шестая международная конференция «Физика в системе современного образования» — Ярославль, 28-31 мая 2001 г.
II Международная научно-методическая конференция «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз» — Москва, 13-16 марта 2000 г.
Second European Conference on Physics Teaching in Engineering Education. — Будапешт, 14-17 июня 2000 г.
Съезд российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке» — Москва, 28-30 июня 2000 г.
VII учебно-методическая конференция стран СНГ «Современный физический практикум» — Санкт-Петербург, 28-30 мая 2002 г.
Всероссийская научно-методическая конференция «Телемати-ка'2002» - Санкт-Петербург, 3-6 июня 2002 г.
3-я международная конференция «Компьютерное моделирование 2002» — Санкт-Петербург, 6-8 июня 2002 г.
Конференция «Оптика и образование-2002» — Санкт-Петербург, 16-17 октября 2002 г.
Секция «Физическое образование в XXI веке: стандарты среднего и высшего профессионального образования» Научной сессии Московского педагогического государственного университета — Москва, 10-12 марта 2003 г.
Первая Международная конференция «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий» (ELIT-I) — Санкт-Петербург, 30 июня-3 июля 2003 г.
VII Международная конференция «Физика в системе современного образования» — Санкт-Петербург, 14-18 октября 2003 г.
Секция «Физическое образование в XXI веке: стандарты среднего и высшего профессионального образования» Научной сессии Московского педагогического государственного университета — Москва, 10-12 марта 2004 г.
Научная конференция «Ломоносовские чтения-2004». Секция физики. — Москва, апрель 2004 г.
Внедрение результатов исследования: описанные в диссертационной работе демонстрационные эксперименты используются в учебном процессе на физическом факультете Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, физическом факультете МПГУ им. В.И. Ленина, в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО).
Основные идеи и результаты исследования отражены в следующих публикациях:
Селиверстов А.В., Слепков А.И. Систематизация средств сопровождения лекций как способ повышения научно-методического уровня учебного процесса. // Актуальные вопросы преподавания физико-технических дисциплин: Сб. науч. трудов. — Пенза, 2004. — С.39-45.
Селиверстов А.В., Дунин М.С. Использование устройств видеозахвата в лекционном эксперименте по физике. // Физическое образование в вузах. Т.8, №3, 2002. - С. 97-102..
Kudryashov A.V., Seliverstov A.V. Adaptive stabilized interferometer with
laser diode. // Optics Communications, v. 120, iss. 5-6,1995. — P. 239-244.
Селиверстов А.В. Волновая оптика. Распространение света. Интерференция света. Дифракция света. Двойное преломление и поляризация света. Геометрическая оптика. Свет, пойманный веществом. // Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч. 2. Электричество и магнетизм. Термодинамика и квантовая механика. Физика ядра и элементарных частиц. / Глав. ред. В.А. Володин. — М., Аванта+, 2000. — С. 58-89.
Алешкевич В.А., Больных И.К., Нифанов А.С, Селиверстов А.В. Организация учебно-информационного WWW-сервера Кафедры общей физики физфака МГУ. // Пятая международная конференция «Физика в системе современного образования» (ФССО-99). Тез. докл. Том 1. - С.-Пб., 1999. - С.39.
Селиверстов А.В., Чурикова Ю.В., Якута А.А. Использование функций цветового соответствия для адекватного отображения цвета при компьютерном моделировании оптических задач. // Тез. докл. II Международной научно-методической конференции «Новые технологии в преподавании физики: школа и вуз». — М., 2000. — С.105-106.
Akhmetiev V.M, Iroshnikov N.G, Korjikov A.M, Seliverstov A.V. Modern Computer Demonstrations for General Physics Course. // Second European Conference on Physics Teaching in Engineering Education. 14-17 June 2000, Budapest, Hungary. Abstracts. — P.38.
Селиверстов A.B., Дунин М.С. Некоторые количественные лекционные демонстрации по физической оптике. // Тез. докл. Съезда российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке». — М., 2000. - С.242.
Селиверстов А.В., Чурикова Ю.В., Якута А.А. Использование функций цветового соответствия при компьютерном моделировании оптиче-
ских задач. // Тез. докл. Съезда российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке». — М., 2000. — С.243.
Селиверстов А.В., Дементьев Ю.Н. Учебный комплекс по оптике на основе лазерной указки. Шестая международная конференция «Физика в системе современного образования» (ФССО-01). Тез. докл. Т. П. — Ярославль, 2001. - С.207.
Селиверстов А.В., Дунин М.С. Использование устройств видеозахвата в лекционном эксперименте по физике. Современный физический практикум. Сборник тез. докл. — С.-Пб., 2002. — С. 260-261.
Зинчик А.А., Боярский К.К, Монахов В.В, Селиверстов А.В. Создание электронных средств учебного назначения общего и профессионального образования. // Труды Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2002». - С.-Пб., 2002. - С.237-238.
Зинчик А.А., Стафеев С.К., Селиверстов А.В. Виртуальные оптические демонстрации удаленного доступа. // Труды 3-й международной конференции «Компьютерное моделирование 2002». — С.-Пб., 2002. — С. 134.
Зинчик А.А., Стафеев С.К., Селиверстов А.В. Сетевой виртуальный лабораторный практикум по оптике в режиме on-line доступа. // Сб. тр. Конференция «Оптика и образование-2002». — С.-Пб., 2002. — С. 61-62.
Селиверстов А.В., Козлов И.В., Дунин М.С, Кувшинов Д.А. Лекционные демонстрации по физике лазеров, их применению и свойствам лазерного излучения. // I Международная конференция «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий» (ELIT-1). Программа и тез. докл. — С.-Пб., 2003. — С.22.
Селиверстов А.В., Якута А.А. Принципы построения комплексов для количественного лекционного эксперимента по физике. // I Междуна-
родная конференция «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий» (ELIT-1). Программа и тез. докл. — С.-ТТб., 2003. - С.27-28.
Стафеев С.К., Зинчик А.А., Селиверстов А.В., Козлов И.В. Создание и использование компьютерных демонстраций по оптике. // I Международная конференция «Образование в области лазеров, лазерных воздействий и технологий» (ELIT-1). Программа и тез. докл. — С.-Пб., 2003. - С.30-31.
Селиверстов А.В., Слепков А.И. Система лекционного сопровождения для изучения волновой оптики на физическом факультете МГУ. // Физика в системе современного образования (ФССО-03): Труды седьмой Международной конференции, т.1. — С.-Пб., 2003. — С. 124-125.
Селиверстов А.В., Шахпаронов В.М., Кувшинов Д.А. Наблюдение низкоскоростных воздушных потоков интерферометрическими методами в лекционном и исследовательском эксперименте. // Физика в системе современного образования (ФССО-03): Труды седьмой Международной конференции, т.1. - С.-Пб., 2003. - С.125-127.
Стафеев С.К., Зинчик А.А., Селиверстов А.В., Козлов И.В. Опыт создания и сетевого использования компьютерных демонстраций по оптике. Физика в системе современного образования (ФССО-03): Труды седьмой Международной конференции, т.1. — С.-Пб., 2003 — С.131-132.
Селиверстов А.В. Современные технологии и методики лекционного эксперимента по оптике на физическом факультете МГУ. // Ломоносовские чтения-2004. Секц. физики. Сб. расширенных тез. докл. Ч. 2. — М., Физич. ф-т МГУ, 2004. - С. 162-167.
Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из ведения, четырех глав, заключения, списка литературы (154 наименова-
ния) и 4 приложений. Диссертация содержит 215 страниц основного текста (всего 262 страницы), 22 таблиц, 45 рисунков.
В первой главе «Демонстрационный эксперимент на лекциях по волновой оптике в вузе (по данным литературы)» рассматриваются современные аспекты использования различных средств наглядности на лекциях в высшей школе. Анализируются предпосылки повышения эффективности лекционных занятий по общей физике на основе комплексного использования средств наглядности — иллюстративных материалов и демонстрационных экспериментов.
В результате изучения методической литературы получены различные способы классификации демонстрационных экспериментов (по дидактическим целям, задачам, характеру и т.д.), сделан вывод о взаимосвязи между их целями и задачами, с одной стороны, и способом включения в учебное занятие, формой и средствами реализации, с другой. Эти способы классификации в дальнейшем применяются как для демонстрационных экспериментов, так и для иллюстративных материалов, объединяемых под общим названием лекционных демонстраций или средств лекционного сопровождения.
Рассматривается опыт использования современных средств лекционного сопровождения в педагогической практике отечественной и зарубежной высшей школы, выявляются тенденции его развития (повышение роли ЭВМ как для моделирования в компьютерных экспериментах, так и для сбора данных в натурных).
Вторая глава «Лекционные демонстрации для раздела «Волновая оптика» как методическая система» описывает методическую систему.
Основной её целью является повышение эффективности лекций на основе использования лекционных демонстраций. Её содержание — лекцион-
иые демонстрации, каждая из которых имеет не только тему, но и дидактическую задачу, определяющую характер проводимого эксперимента (качественный или количественный). Таким образом, структура этой системы соответствует структуре волновой оптики как области науки.
Взаимосвязь между её элементами обеспечивается применением принципа комплексности использования средств обучения. Для обеспечения целостности и полноты системы необходим анализ структуры и содержания физической теории, выявление элементов знаний, для которых необходима та или иная форма иллюстрирования или экспериментального подтверждения.
Анализ содержания курса волновой оптики производится на основе ряда курсов оптики для высшей школы (учебники А.Н.Матвеева; Г.С.Ландсберга; И.В.Савельева; Н.И.Калитеевского; Д.В.Сивухина; И.Е.Иродова; С.А.Ахманова и С.Ю.Никитина; Е.М.Гершензона, Н.Н.Малова и А.Н.Мансурова). Отмечаются также те вопросы современной оптики, которые не рассмотрены в этих курсах.
В главе формулируются общие требования к современным лекционным демонстрациям: выразительность, убедительность, соответствие программе курса, вариативность по дидактическим целям и задачам, кратковременность, эргономичность, надёжность. Также рассмотрены требования, предъявляемые к составляющим демонстрации элементам лекционного сопровождения. Для демонстрационных установок к ним относятся: использование современного серийного оборудования, построение демонстраций на относительно дешевых и распространенных взаимозаменяемых элементах, создание технологических модулей. Для демонстрационных программ это требования интерактивности, общего интерфейса, переносимости (или ин-тероперабельности). Предлагается модель интерфейса компьютерной про-
граммы.
Для полноты реализации дидактических задач демонстрационного эксперимента вводится понятие композитной демонстрации, объединяющей в себе демонстрации различных типов (иллюстрации, аудиовизуальные пособия; натурные количественные и/или качественные эксперименты; модельные эксперименты), использующиеся в комплексе, показывающие одно и то же явление с разных сторон, позволяющие осуществить сравнение результатов. Излагаются принципы построения композитных демонстраций.
Часть компьютерных демонстраций допускает их использование вне лекций, в т.ч. телекоммуникационный доступ к ним через сеть Интернет. Поэтому одной из предлагаемых форм их использования является внеаудиторное использование таких программ студентами, например, при подготовке к выполнению лабораторных работ.
В заключение главы анализируется понятие эффективности и формулируются критерии её оценки.
Третья глава «Примеры реализации лекционных демонстраций по волновой оптике» является конкретизацией и переводом на методический и практический уровень тех идей, которые в общедидактическом плане были высказаны в предыдущей главе. При изложении демонстрации объединены по форме реализации в следующие группы: компьютерные модельные; натурные качественные; натурные количественные; композитные.
При описании компьютерных модельных демонстраций излагаются принципы, на которых они построены, методы воспроизведения цвета оптического изображения и его яркости, алгоритмы реализации этих методов. Приводятся описания четырёх модельных демонстраций: «Кольца Ньютона», «Интерферометр Майкельсона», «Интерференционное просветление оптики» и «Формирование оптического изображения».
Для натурных качественных демонстраций анализируются возможности применения видеопроекционных систем, предлагается вариант реализации такой системы. Описываются три натурные демонстрации, в полной мере реализующие преимущества использования современных технологий перед классическими способами показа: «Кольца Ньютона», «Опыт Юнга» (изучение влияния пространственной и временной когерентности света на вид интерференционной картины), «Модовый состав излучения лазера».
При обсуждении принципов построения натурных количественных демонстраций описываются реализованные автоматизированные демонстрационные аппаратно-программные комплексы (на основе ЦАП/АЦП и на основе устройств видеозахвата). В качестве иллюстрации приводятся описания трёх демонстраций: «Закон Малюса», «Рассеяние поляризованного света» и «Измерительный интерферометр» (восстановление поверхности разности фаз между интерферирующими световыми пучками).
При описании реализованных композитных демонстраций приводятся пять примеров, объединяющие в себе компьютерную модель и натурный эксперимент: «Кольца Ньютона», «Интерферометр Майкельсона», «Пространственная и временная когерентность», «Формирование оптического изображения», «Специальные методы наблюдения».
Описание всех демонстраций проводится по общей схеме: цель демонстрации, её идея, описание установки (реальной или моделируемой), методика демонстрации и основные наглядные результаты. Для компьютерных программ также описывается их интерфейс.
В четвёртой главе «Организация, проведение и результаты педагогического эксперимента» описывается проведение констатирующего, поискового и обучающего этапов эксперимента по проблеме исследования. Констатирующий эксперимент показал целесообразность создания новых лек-
ционных экспериментов и разработки методики их демонстрации.
При выборе методов поискового и обучающего этапов педагогического
Ч эксперимента учитывались такие факторы, как малое число вузов с необ-
ходимым оборудованием, малое число лекторов и демонстраторов, готовых внедрять новые лекционные демонстрации, разработанные в сторонней организации. В качестве основного метода педагогического эксперимента было выбрано экспериментальное преподавание, включающее наблюдение за студентами в процессе учебных лекций, а также беседы с лекторами и студентами и их анкетирование.
Анализ результатов педагогического эксперимента в целом подтверждает гипотезу о том, что применение разработанной системы лекционных демонстраций позволяет повысить эффективность лекций по общей физике.
В заключении сформулированы итоги проведенного исследования и обозначены пути дальнейших исследований.
В приложениях приводятся список разработанных лекционных демонстраций, вариант выделения требующих лекционного сопровождения элементов знаний по волновой оптике, классификационная схема демонстраций.
Предпосылки применения средств наглядности на лекциях по общей физике
Основной формой занятий, главным звеном дидактического цикла обучения в высшей школе является лекция. Ее дидактические функции заключаются в формировании ориентировочной основы обучения (постановке и обосновании его задач), сообщении новых знаний, привитии интеллектуальных умений и навыков, мотивировании слушателей к дальнейшей учебной деятельности, интеграции преподаваемой дисциплины с другими предметами, выработке интереса к теоретическому анализу [83, 124].
С середины XIX в. по мере роста научных и технических знаний во всем мире усилилась потребность дополнения лекций практическими занятиями, стимулирующими самостоятельность и активность студентов. Однако полностью заменить лекцию другими формами учебной деятельности (как это, например, было сделано в 30-е годы XX в. в ряде вузов) невозможно: резко снижается уровень знаний обучаемых, научный уровень их подготовки, нарушается системность и равномерность работы в течение семестра [83].
Тем не менее, в настоящее время, наряду со сторонниками, существуют и противники лекционного изложения учебного материала. Вкратце перечислим их основные аргументы [83, 124, 138, 139]:
1. Лекция приучает к пассивному восприятию чужих мнений, тормозит самостоятельное мышление (тем сильнее, чем лучше лекция).
2. Она отбивает вкус к самостоятельным занятиям, давая готовые знания.
3. Лекции являются простой заменой учебнику, поэтому они нужны только тогда, когда учебники отсутствуют или их мало.
4. На лекции не представляется возможным учитывать особенности восприятия обучаемых несмотря на большие индивидуальные различия. Поэтому, например, одни студенты успевают осмыслить слова лектора, а другие — только механически их записать.
5. Лекционный материал воспринимается преимущественно через слуховой канал (ухо-мозг). Однако пропускная способность зрительного канала (глаз-мозг) в 100 раз выше звукового, и, кроме того, 80%-90% людей привыкли получать зрительную информацию.
Поэтому, например, известный специалист в области дидактических систем Д.В. Чернилевский делает вывод о том, что «лекция как общеаудиторная форма обучения является самой неэффективной среди других форм обучения в высшей школе» [124, с. 140].
Таким образом, наблюдается противоречие: с одной стороны, лекция по-прежнему продолжает оставаться ведущей формой организации учебного процесса в вузе, а, с другой стороны, отведенное на нее учебное время используется неэффективно. Однако вопросам повышения эффективности традиционных образовательных технологий, и, в частности, лекций, уделяется сейчас недостаточное внимание, несмотря на то, что указанные выше недостатки в значительной мере могут быть преодолены оптимальной методикой подачи материала. При формировании такой методики особое внимание следует уделять тем элементам лекции, которые позволяют учесть основные замечания ее оппонентов [83, 124], то есть:
- ориентированы на активное восприятие и анализ чужого мнения;
- направлены на формирование собственной точки зрения на основе наблюдений и размышлений;
- не дублируют содержание учебных пособий;
- позволяют учесть особенности восприятия различных людей; - повышают количество визуальной информации.
Сопоставление традиционных и новых форм учебной лекции (см. табл. 1.1) [83, 106, 124] позволяет выделить два направления, использующихся в новых лекционных формах и ведущих к повышению эффективности лекции: использование на ней элементов проблемного обучения и поиск новых возможностей реализации общедидактического принципа наглядности. Этот дидактический принцип выделяется в педагогике как один из основных, поскольку, по мнению С.И.Архангельского, именно наглядность является условием перехода в обучении от конкретного к абстрактному, от признаков и представлений — к понятиям и определениям [9].
Наглядность не только способствует более успешному восприятию и запоминанию учебного материала, но и позволяет проникнуть глубже в существо познаваемых явлений. Это происходит за счет одновременной работы обоих полушарий, а не одного левого, логического, привычно работающего при освоении точных наук [83, 106]. Правое полушарие, отвечающее за образно-эмоциональное восприятие предъявляемой информации, начинает активно работать именно при ее визуализации, и привлечение различных средств наглядности. В зависимости от учебного материала могут использоваться различные их формы [83]: натуральные (эксперименты, минералы, детали и модели машин), изобразительные (рисунки, фотографии), символические (схемы, таблицы).
Компоненты методической системы лекционных демонстраций по волновой оптике
Совокупность лекционных демонстраций можно построить таким образом, чтобы она обладала всеми признаками методической системы [119], то есть содержанием, структурой, целостностью, полнотой, иерархичностью.
Под содержанием такой системы можно понимать её конкретные элементы — лекционные демонстрации различных типов (см. с. 39) и форм (см. с. 57), использование которых взаимосвязано и взаимообусловлено. Её структура отражает взаимосвязи между различными элементами. Важнейшим признаком любой системы выступает её целостность — появление у данной совокупности элементов таких свойств, которых нет у каждого из них в отдельности. Целостность системы определяется полнотой состава элементов, взаимосвязями между ними, наличием целей у каждого из элементов и их связью с целью системы, которая не тождественна целям отдельных её элементов. Иерархичность проявляется во взаимодействии с другими методическими системами, например, системой изучения волновой оптики, системой лекций по данному разделу и т.п.
Опишем возможный вариант построения методической системы лекционных демонстраций по волновой оптике, придерживаясь традиционной структуры изложения (см., например, [42, 83]): цели, содержание, структура, методы, средства, формы.
Целью такой системы будет являться реализация общедидактического принципа наглядности, способствующая формированию знаний по разделу «Волновая оптика» на основе решения дидактических задач, стоящих перед отдельными её элементами (достижения целей различных демонстраций): индуктивного получения знаний; проверки дедуктивно полученных знаний; мотивации учебной деятельности; иллюстрирования полученного в готовом виде знания.
Применение демонстраций должно быть основано на общедидактических принципах [42, 124]:
- научности содержания;
- доступности восприятия;
- связи учебного материала с жизнью (взаимосвязи теории и практики);
- системности и последовательности в обучении;
- сочетании научности и доступности;
- оптимальности темпа подачи информации.
Содержанием системы являются конкретные лекционные демонстрации. Каждая демонстрация имеет свои цели (направлена на решение определённых дидактических задач), тематику, форму реализации (вид); взаимосвязи между ними могут проявляться как на содержательном, так и на методическом уровнях.
Первый уровень взаимосвязей подразумевает наличие ряда элементов, связанных по содержанию (то есть относящихся к одному и тому же понятию) и являющихся звеньями единой структурной цепочки (опытные факты — гипотеза — модель — теория — проверка теории на практике).
Реализация взаимосвязей второго уровня заложена принципом комплексности использования средств обучения и может проявляться в различных формах демонстрации одного и того же явления: например, видеозапись, компьютерная модель, натурная демонстрация, символическое представление информации. Такой подход позволяет учесть особенности восприятия различных людей (слуховое, визуальное, дигитальное, кинестетическое).
В качестве основных видов демонстраций мы выделяем иллюстративные материалы, компьютерные модельные, натурные качественные, натурные количественные эксперименты и композитные демонстрации.
Структура системы лекционных демонстраций определяется структурой соответствующей научной теории, в данном случае — волновой оптики. Содержание теории отражено в ряде учебных пособий [10, 19, 55, 68], а её структура отражает общую методологию физической науки.
Привлечение к учебному процессу как в высшей, так и в средней школе физиков-профессионалов, не получивших специального педагогического образования, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. К безусловным плюсам этого процесса, ставшего в последнее десятилетие массовым, следует отнести то, что предмет читается специалистом, ведущим активную научную работу в этой области знания [122]. Однако специализация иногда мешает выделить те элементы знания, которые целесообразно включать в программу учебного курса; разрабатываемые новые методические элементы, в частности, демонстрации, могут не соответствовать частным или даже общим дидактическим принципам, а выбор их тематики бессистемен и часто обусловлен узкоспециальной областью интересов преподавателя.
Для обеспечения основных признаков методической системы — целостности и полноты [42] — необходим анализ содержания и структуры раздела (теории), выявление элементов знаний, для которых необходима та или иная форма иллюстрации или экспериментального подтверждения. Такой анализ был проведён на основе плана изучения раздела «Оптика» курса общей физики, читаемого на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова, учебников, отражающих содержание теории ([10, 19, 55, 68], ряд других учебных пособий для высшей школы), и рекомендаций преподавателей МГУ [51, 58].
Компьютерные модельные демонстрации
Идеальной, на наш взгляд, является программа, обладающая свойством интероперабельности, то есть возможности выполнения на разных программных и аппаратных платформах.
Для реализации элементов системы лекционного сопровождения был разработан ряд модельных компьютерных демонстраций. В качестве основной программной среды разработки программ был выбран пакет Borland Delphi (для семейства ОС Microsoft Windows)/Borland Kylix (для семейства ОС Linux). Это связано с несколькими аспектами. Во-первых, использование языка программирования вместо универсальных программ-«конструкторов» (таких, например, как пакеты символьных вычислений Derive, MathCAD, MatLab), хоть и проиводит к потере гибкости созданной демонстрации и увеличению цикла ее разработки, зато дает большой выигрыш в производительности для сложных моделей. Во-вторых, использование интероперабельной среды разработки, то есть такой среды, которая позволяет создавать программы для различных операционных систем, расширяет круг потенциальных пользователей разработанных демонстрационных программ. В-третьих, гибкость, большое количество уже созданных программных компонентов и отсутствие ряда технологических проблем (по сравнению, например, с языком Java) облегчает процесс создания компьютерных демонстраций и их использование в учебном процессе.
Следует отметить некоторые методические особенности построения программ. Так, например, для характеристики световой волны используется не частота, а длина волны. Это обусловлено большей наглядностью именно этой величины в рассматриваемом разделе. Еще одна особенность — отсутствие анимации схем установок, которая могла бы отвлечь внимание слушателей от наблюдения основных эффектов.
Полный список разработанных модельных компьютерных демонстраций приведен в приложении 1. Большая часть из них не имеет аналогов среди имевшихся ранее. Рассмотрим подробнее наиболее важные из них.
Цель демонстрации: изучение основных закономерностей интерференции монохроматического и немонохроматического света в схеме с делением амплитуды (положение и контраст полос равной толщины, зависимость интенсивности от координаты).
Идея демонстрации: моделирование и наблюдение интерференционной картины (колец Ньютона) в системе из плоской (вогнутой) и выпуклой стеклянных пластин при наблюдении в отраженном свете, расчет и построение графика зависимости интенсивности от радиальной координаты с использованием различных моделей источника излучения.
Описание моделируемой установки.
Схема моделируемой установки изображена на рис. 3.1а. Падающий коллимированный пучок света отражается от системы, состоящей из двух пластин: выпуклой Пі и плоской или вогнутой Щ. Пластины приведены в соприкосновение. Интерференционная картина формируется пучками 1 и 2, отраженными от обращенных друг к другу поверхностей пластин (см. рис. 3.16); остальные отраженные пучки (Ґ и 2 ) приобретают разность хода, как правило, превосходящую длину когерентности падающего света (единицы миллиметров против единиц микрометров), и потому исключены нами из рассмотрения.
