Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Вопросы современной астрофизики в педагогическом вузе и общеобразовательной школе
1.1. Основные достижения современной астрофизики (обзор данных научной, научно-популярной литературы и материалов сети EMTERNET)
1.2. Отражение вопросов современной астрофизики в учебных курсах педагогического вуза и общеобразовательной школы
Выводы
Глава II Место современной астрофизики в профессиональной подготовке будущего учителя физики, и астрономии
2.1. Место астрофизики в профессиональной подготовке студентов педагогического вуза
2.2. Психолого-педагогические основы изучения вопросов современной астрофизики
2.3. Содержание учебной дисциплины «Достижения и проблемы современной астрофизики»
Выводы
Глава III. Средства обучения, используемые для усвоения вопросов астрофизики 83
3.1. Средства обучения, используемые в. лабораторных работах, и компьютерные демонстрации в процессе изучения вопросов астрофизики 83
3.2. Использование простых приборов при изучении астрономии в педвузе и общеобразовательной школе91
3.3. Использование иллюстраций, журнальных публикаций и сообщений сети INTERNET на занятиях по астрофизике 98
Выводы
Глава IV. Организация педагогической проверки и анализ ее результатов
4.1. Подготовленность выпускников педвуза по вопросам современной астрофизики 111
4.2. Экспериментальное обучение студентов в рамках учебной дисциплины «Достижения и проблемы современной астрофизики» 119
4.3. Анализ результатов педагогической проверки.
Выводы 154
Заключение 157
Список литературы 174
Приложение 1 179
Приложение 2 193
Приложение 3
- Основные достижения современной астрофизики (обзор данных научной, научно-популярной литературы и материалов сети EMTERNET)
- Место астрофизики в профессиональной подготовке студентов педагогического вуза
- Средства обучения, используемые в. лабораторных работах, и компьютерные демонстрации в процессе изучения вопросов астрофизики
Основные достижения современной астрофизики (обзор данных научной, научно-популярной литературы и материалов сети EMTERNET)
Астрономию как науку можно сравнить с деревом, «корни которого уходят во тьму веков, а крона по-прежнему зеленеет» [72,е.З ]. Сейчас астрономия представляет собой комплекс наук о строении, происхождении, эволюции Вселенной, о химических и физических процессах и явлениях, которые в ней происходят.
Традиционно астрономию делят на следующие разделы [12,42]: астрометрию, небесную механику, астрофизику, звездную астрономию, космологию и космогонию. Объект исследования у них один и тот же - Вселенная.
Астрономия родилась, и долгие годы развивалась, как наблюдательная наука. Основным источником сведений о строении и свойствах небесных тел являются излучения, приходящие от этих объектов. Сегодня астрономами исследуется с помощью аппаратных средств целый ряд параметров различных излучений: их интенсивность, спектры, поляризация, временные зависимости и т.д. По методам исследования, их техническому оснащению, по разнообразию изучаемых объектов астрономия превратилась в астрофизику.
Физические методы исследования нашли широчайшее применение в изучении Вселенной. Именно результатом их использования являются современные сведения о физических явлениях и процессах, происходящих в мегамире. При исследовании Вселенной ученые опираются на знание физических законов и процессов, которые хорошо изучены в земных лабораториях, на известные свойства вещества и излучения, на их зависимости от температуры, плотности, давления, магнитного поля, сил тяготения и т.д.
В. Л. Гинзбург в известной книге «О физике и астрофизике» [32] ив статье [30] делит физическую науку на три большие части: микрофизику, макрофизику и мегафизику. В качестве масштаба такого деления выступает фундаментальный физический параметр - длина. Астрофизика - это физика больших расстояний, больших длин, объектов больших размеров, т.е. физика мегамира.
В. Л. Гинзбург называет превращение астрономии во всеволновую астрофизику «второй астрономической революцией»[30-32]. Основная особенность современной астрофизики и основное отличие ее от астрономии предыдущего этапа - всеволновый характер и физические методы исследования объектов и явлений мегамира.
Превращение астрономии во всеволновую науку, пользующуюся физическими методами исследования, значительно обогатило наши знания о хорошо известных человечеству объектах: планетах, Солнце, Луне, звездах. Но этого мало. Астрофизика позволила открыть новые, ранее не известные людям, объекты Вселенной: пульсары, квазары, черные дыры, в которых материя находится в состояниях необычных и даже фантастических с точки зрения жителя Земли. На самом деле это нормальные состояния объектов природы, условия существования материи, в которой необычайно разнообразны и не похожи на земные условия. Материя в таких состояниях может приобретать необычные для нас свойства: вещество сверхвысокой плотности в недрах нейтронных звезд, сверхсильные гравитационные поля вблизи черных дыр, сверхмощные магнитные поля пульсаров и т.д.
Подобные условия вряд ли когда-нибудь можно будет создать на Земле, их можно изучать только в естественных лабораториях, какими являются астрофизические объекты. Немудрено, что они привлекают столь пристальное внимание современных ученых-физиков. Утверждение о том, что «современная астрофизика - это передовой край науки, и она исследует наиболее фундаментальные явления и процессы, недоступные пока «земной» физике» [56,с.84], очень правильно объясняет ситуацию, сложившуюся в современной физической науке.
Каков же он, этот передний край?
Следуя идеям В. Л. Гинзбурга [ЗОи 32], отметим наиболее важные из фундаментальных проблем современной астрофизики, которые признаны мировым научным сообществом (например, отмечены Нобелевскими премиями). Данный обзор, на наш взгляд, не будет исчерпывающим, так как технические достижения (интересные сами по себе) очень часто определяют уровень решения фундаментальных проблем, но не являются предметом нашего исследования.
К первоочередным проблемам астрофизики относятся:
Экспериментальная проверка положений общей теории относительности (ОТО).
Развитие новых направлений исследования Вселенной (гравитационные волны и гравитационная астрономия, исследование космических лучей со сверхвысокой энергией, исследование и идентификация гамма-всплесков, нейтринная физика и астрономия, нейтринные осцилляции и др.).
Место астрофизики в профессиональной подготовке студентов педагогического вуза
Профессиональная подготовка студента должна обеспечить его функционирование как учителя физики и астрономии. В пределах исследования нас интересует, прежде всего, подготовка студентов по вопросам современной астрофизики.
Позитивное отношение к изучению астрофизики можно сформировать, если в содержание курса включены важные для студентов мировоззренческие вопросы о прошлом и будущем Вселенной, о современных целях и задачах исследования окружающего космического пространства, о новейших достижениях-в исследовании явлений и объектов Вселенной. Самое главное при этом - объяснение наблюдаемых явлений с позиций фундаментальных и специальных физических теорий, а также предсказание на их основе новых необычных объектов и явлений мегамира.
Чаще всего учителем астрономии в общеобразовательной школе является учитель физики и поэтому в его профессиональной подготовке должны найти отражение перечисленные выше вопросы.
В Законе РФ «Об образовании» [57] и в Государственном Образовательном Стандарте высшего профессионального образования [36] перечислены государственные требования к.минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по специальности «010400-ФИЗИКА». В общей характеристике этой специальности указывается, что вся деятельность учителя должна быть ориентированна на развитие, воспитание и обучение учащегося как личности. Здесь же определены сферы деятельности будущего учителя: преподавательская, научно-методическая, социально-педагогическая, культурно-просветительская. Из общей характеристики специальности и направлений деятельности специалиста вытекают требования к минимуму содержания и уровню его подготовки. Одним из руководящих документов для разработки содержания и методов профессиональной подготовки специалистов, учебных планов и программ обучения студентов является квалификационная характеристика учителя физики и астрономии [70].
Требование Стандарта — обеспечить формирование всесторонне развитой личности будущего учителя - невозможно без его общекультурной, медико-биологической, психолого-педагогической и специальной предметной подготовки.
Государственный Стандарт высшего профессионального образования является одним из проявлений утверждающейся в последнее время новой парадигмы образования [68].
В профессиограмме учителя физики отмечается необходимость «ознакомления учащихся с важнейшими областями научного, инженерного труда и с рабочими профессиями, причем в первую очередь с теми, где наиболее ярко и заметно проявляется роль физики как основы современной тех-ники»[62, с. 12]. Следует подчеркнуть, что бурное развитие астрофизики оказалось возможным благодаря использованию физических методов исследования: вся космическая техника создана на основе достижений современной физики. Поэтому указанное выше требование может найти отражение при изучении многочисленных вопросов современной астрофизики.
Успешно завершив обучение в вузе, учитель физики и астрономии должен обладать научно-гуманистическим мировоззрением, знать основные закономерности развития природы и общества, иметь сформированное представление о физической картине мира, знать формы и методы научного познания и их эволюцию, владеть различными способами познания и освоения окружающего мира, понимать роль науки в развитии окружающего мира[]. В этом отношении роль астрофизики трудно переоценить. Она всегда была и остается мировоззренческой наукой, глубокое знание ее положений для учителя физики является основой его представлений о мире, в котором мы живем.
Будущий учитель, как требует Государственный Стандарт высшего профессионального образования, должен владеть системой знаний о человеке как о существе духовном, как личности и индивидуальности, о взаимосвязях физического, психического и социального здоровья человека, природы и общества. И здесь астрофизические знания играют существенную роль. С древности астрономия - одна из наиболее "человеческих" наук. Сделанные с ее помощью предсказания (например, разливы Нила в Древнем Египте) и выводы нередко определяли судьбу целых народов и, в то же время, отдельных личностей. Астрономия всегда помогала человеку понять свое место в Мироздании. Астрофизика как преемница курса астрономии сохраняет эту мировоззренческую функцию, которая, видоизменяясь, навсегда останется первостепенной.
Средства обучения, используемые в. лабораторных работах, и компьютерные демонстрации в процессе изучения вопросов астрофизики
Для успешного усвоения основ астрофизических теорий необходим достаточно большой набор средств обучения. Часть из них используется в учебных демонстрациях и лабораторных работах небольшого объема, поставленных на основе опубликованных научных результатов.
Современный астрофизический эксперимент, как правило, требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, использование которой в условиях педагогического вуза весьма затруднено, а во многих случаях и невозможно. Экспериментальное изучение астрофизических явлений в условиях практикума возможно лишь в адаптированной форме[35;64;158;246]: либо путем компьютерного моделирования, либо путем обработки экспериментальных данных, полученных в ведущих астрофизических центрах. Лабораторные работы в этом случае имеют в значительной части иллюстративный характер.
В проводимый нами лабораторный практикум включено шесть лабораторных работ, разработанных при участии автора, а также созданных на ос нове имеющихся методических рекомендаций, и девять компьютерных демонстраций, разработанных силами студентов.
В лабораторной работе "Экспериментальное наблюдение спектральных линий Солнца" [24] перед студентами ставилась цель овладеть одним из астрофизических методов исследования — спектральным анализом. Для этого им необходимо было изучить устройство и принцип действия монохроматора УМ - 2, правила обращения с ним, а также с поворотной призмой и прибором «Спектр» с набором газоразрядных трубок (Н, Не, Кг, Ne ). Последний выступает как эталон длин волн для калибровки монохроматора и для идентификации Фраунгоферовых линий.
Оптическая схема установки для наблюдения Фраунгоферовых линий. В качестве объекта исследования выбрано Солнце, являющееся ближайшей к нам звездой. Благодаря использованию оригинальной конструкции входной поворотной призмы, данная лабораторная работа может выполняться круглый год в светлое время суток вне зависимости от расположения аудитории. Несмотря на то, что в данном случае мы исследуем не экзотический астрономический объект, а всем хорошо знакомое Солнце, студенты знакомятся с одним из основных астрофизических методов - спектральным анализом. Отметим также, что данная лабораторная работа представляет интерес для всех студентов-физиков, а не только для тех из них, которые интересуются астрофизикой, и ее целесообразно включать в состав общего физического практикума.
При выполнении лабораторной работы "Солнечная батарея - источник питания космических обсерваторий" студенты должны овладеть знанием устройства, принципа действия и характеристик солнечной батареи как источника электрической энергии.
Используя солнечную батарею от испорченного калькулятора, магазин сопротивлений, лампу накаливания и измерительные приборы Щ4313 и АВО - 63, студенты снимают зависимость фототока батареи солнечных элементов от сопротивления нагрузки (R = 10-180 Ом), строят график зависимости I(R), вычисляют полезную мощность батареи и ее КПД.
В дальнейшем предполагается дополнить эту работу исследованием солнечных батарей различных типов, а также измерением с помощью солнечного элемента относительной светимости вдоль диаметра изображения диска Солнца на экране. Простота данной лабораторной работы позволяет рекомендовать ее также для факультативных занятий в средней школе.
В процессе выполнения лабораторной работы "Приемник электромагнитного излучения УФ-диапазона" [23] студенты должны изучить устройство, принцип действия и характеристики приемника ультрафиолетового излучения.
Используя источник ультрафиолетового излучения (ртутную лампу или прибор «Фотон»), приемник УФ излучения, измерительные приборы Щ4313, набор фильтров (стекло, кварц, оргстекло), студенты снимают амплитудно-частотную характеристику приемника, определяют диапазон регистрируемых длин волн.
В процессе выполнения лабораторной работы исследуется возможность детектирования приемником УФ-излучения, а также измеряется ослабление этого излучения фильтрами из разных материалов. Установка позволяет также моделировать поглощение ультрафиолетового излучения при прохождении его через озоновый слой земной атмосферы. Для этого использу-, ются фильтры из органического стекла, которые имитируют участки озонового слоя определенной толщины. После выполнения работы студентам предлагается рассчитать толщину озонового слоя, предельное ослабление УФ-излучения в атмосфере и другие экологические параметры. Таким образом, наряду с основной, данная работа может нести также экологическую нагрузку.
