автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Феноменологическая термодинамика. Ее роль и место при углубленном изучении физики в средней школе

Автореферат диссертации по теме "Феноменологическая термодинамика. Ее роль и место при углубленном изучении физики в средней школе"

НИДОСТЕРСТВО СШЗОЕАШ РОССОСКОЙ СДЕРАЦШ

ГОССИЙСШ ГОСУДАРСТБШПШ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ икени А. И. ГЕГЦЕИА

На правах рукописи УДК 53/077.7/

КОБУЖИНА Мария Викторовна

Феноменологическая термодинамика. Её роль и место при углублённой изучен™ физики в средчен иколе.

13.00.02 • иетодиха преподавания деики

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата педагогических наук

СА1КТ • ПЕТЕРБУРГ • 1994

Работа выполнена на кафедре методики преподавания физики Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена

Научная руководитель - академик РАО, доктор физ.-мат. наук, профессор A.C. Кондратьев,

Официальные оппоненты: доктор «изико - математических наук, профессор А.Е. Кучма; канд. педагогических наук, доцент 0.II. йилова

Ведущая организация ■ Институт общеобразовательной юсолы РАО

Задета состоится гЛл.аЛ> 1994 г в 16 часов

на заседании специализированного совета К. 113.05.03 по приставив) учёной степени кандидата наук в Российском государственном педагогическом университете им. А. И. Герцена по адресу: 191106, Санкт - Петербург, наб.р. Нош, 48, корп. 3, ауд. 20.

С диссертацией мохно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан ЛНШ Си-ииглД/ 1994 г.

_ Ученый секретарь специализированного совета / II. К. Кихеева

^—Uct^y

общая характеристика работы

Одной из важнейших задач, стоящих перед школьным образованием, является формирование научного мышления и развитие творческих способностей учащихся. Важную роль в этом процессе играет физика.

,В связи с перестройкой школьного образования в последние годы наметилась тенденция к увеличению числа методических работ, посвященных анализу состояний и путей модернизации физического образования; . в частности постоянное внимание уделяется разделу "Молекулярная физика. Тепловые явления". Проведённый нами сравнительный анализ учебной литературы и методических исследований но термодинамике показал, что, начиная с середины 60-ых годов, этот раздел школьного курса физики многократно перерабатывался, однако основной подход к изучению раздела - изучение термодинамики на базе молекулярно -кинетических представлений - оставалася прежним, варьировалось лишь количество часов и порядок изложения тем. Таким образом, сложившаяся система изучения.раздела несовершенна, поскольку в ней феноменологическая .термодинамика преподаётся а препарированном"и упрощённом виде.

Поиски оптимальных и адекватных предмету изучения путей обучения термодинамике далеки от завершения, несмотря на интенсивные усилия методистов в этой области, и направлены на совершенствование содержательных и методологических основ термодинамики приведение их в адекватное соответствие с логикой базисной науки.

Существующая методика, при которой макроявления и процессы срезу получают молекулярно - кинетическое истолкование, ведёт к серьёзным утратам в уровне и качестве црэиодаванин физики: к утрате универсального смысла ряда важнейших понятий и законов. Исходя из этого понятно, что у учащихся возникают проблемы лри необходимости решать задачи, так как нет строгой, логической картины о взаимосвязях, методах, понятиях и границах применимости термодинамики, есть лишь некая совокупность

несоединимых между собой иоложйний. Опыт показывает, для того чтобы курс физики сделать доступным и понятным, необходимо показать его остов, объединяющий знания и размышлении. Содержательно структурная чёткость и последовательность в преподавании физики .является одной ив лучших предпосылок усвоении материала. Дьике при параллельном изложении молекулярно - кинетической теории и термодинамики данное положение не выполняется. Решение задач - необходимый и чрезвычайно важный этап при изучении физики, который занимает промежуточное положение между теоретической и практической деятельностью. Однако в существующих задачниках, охватывающих школьный курс физики (А.П. Рымкевич, В. П. Демкович, С. П Мисников и Т. Н. Осннова, Г. В. Меледин, Б. Л. Кимбар, P.A. Гладкова, А. Е, Марон, М. Е. Тульчинский, О. Я Савченко,, Н. И. Гольд<1>арб, Г. Я Мякишев, Б. Б. Еухоицев, . . Бендриков, . . Козел и др.), ¡жиде л "Термодинамика" имеет стандартный набор задач. В ВУЗовеких аадачниках картина практически аналогичная, то есть атап изучения термодинамики, связанный с обучением решению задач, rote нарушен, так как в физике термодинамика стоит обособленным курсом, не ионольвующим практически никакие внутрипредметные и межпредметные свнаи, следовательно наученный материал в разделе лежит мертвым грузом. Учащиеся, один раз научив тему, в дальнейшем не пользуются теоретическими сведениями, полученными в данном разделе, не видит широких возможностей термодинамики, не нытакггси с помощью её простых методов получить информацию об интересующей системе, не могут применить основные положения к нестандартным термодинамическим системам.

Таким образом, актуальность исследования на современном этапе обусловлена неудовлетворительным состоянием преподавании термодинамики в существующем курсе физики средней школы, когда основные положения термодинамики выводятся иа представлений молекулярной физики, рассматривающей определённую механическую модель строении вещества; социальной потребностью в элементах образования, отражающих методологические достижения физики адекватно возрастным и индивидуальным особенностям учащихся; недостаточной разработанностью методических рекомендаций и программ использования феноменологического подхода в изучении

термодинамики в средней школе.

Объектом исследовании является • изучение основ термодинамики как одного из разделов, формирующих у учащихся целостную физическую картину 'мира ,

Предмет исследовании составляет методическая система обучении термодинамике на основе использования общей методологии базисной науки и фундаментальных законом физики.

Целью исследовании является теоретическое обоснование концепции обучения термодинамике на основе методологического подхода и разработка методики ев практической реализации.

Гипотеза исследования: эффективность обучении Физике может быть повышена на основе использования Феноменологического подхода в изучении термодинамических систем, как наиболее естественного с психологической и исторической точек зрения. Данный подход обеспечивает последовательное использование общей методологии базисной науки и ф>ндаменгалышх Физических законов.

Существующей тенденция "последовательного отхода от феноменологического описания явлений в сторону усилении структурного подхода" (Разумовский Е Г., Хихникова Л. С. Итоги перехода на новое содержание образования и проблёмн дальнейшего совершенствования учебного процесса но физике / Тезисы конф. М. 1975) привела к недооценке роли термодинамической теории в иовнании учащимися свойств и отношений теплового движения. Концепция же единства феноменологии и молекулярно кинетической теории в изучении тепловых явлений привела к тому, что вместо имеющихся двух научных систем - термодинамики и молекулярно - кинетической теории - в обучении физике в средней школе излагается произвольно сконструированная совокупность знаний, часто игнорирующая естественные связи между взаимодополняющими теориями и элементами знаний в этих теориях.

Предложенный ь данной работе подход к изучению термодинамики позволяет устранить существующие проблемы, связанные с изучением термодинамики. Учащиеся монимахл', что основные положения термодинамики справедливы практически дли любой системы и использование термодинамических методов (циклов и потенциалов) позволяет описыьать даже сложные физические

процесса.

В процессе исследования решались следующие задачи:

1. На основе анализа физической, исихолого-педагогической, методической и учебной литературы проанализировать дидактические и методические возможности и особенности целенаправленного изучения и систематизированного использования термодинамики, соотнести результаты анализа с практикой обучения.

Z. Разработать основы , системы изучения и использования термодинамики в качестве инструмента исследования новых физических систем с проверкой их эффективности в педагогическом эксперименте.

3. На основе' использования методологических возможностей феноменологической термодинамики углубить содержание курса без существенного увеличения учебного времени, предусмотренного программой средней школы.

4. Исследовать возможности использования феноменологического подхода в термодинамике в содержательном обобщении знаний учащихся по физике.

5. Проследить прямые и косвенные последствия, вносимые внедрением результатов исследования в компоненты системы школьного обучения.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечена;

- внутренней непротиворечивостью феноменологической термодинамики и историческим развитием базисной науки;

- использованием разнообразных методов обработки результатов исследования;

- результатами педагогического эксперимента, проводившегося в течение 1988-1993 учебных годов. На различных этапах педагогического эксперимента приняли участие около 800. человек (учащихся,'учителей, абитуриентов и студентов).

Для решения поставленных задач применялись следующие методы исследования:

1. анализ литературы но проблеме исследования;

2. наблюдение за учебным процессом по физике;

3. ретроспективный опрос учащихся;

4. анкетирование учителей;

б. метод экспертных оценок;

б. педагогический эксперимент со статистической обработкой и анализом его результатов.

Научная новизна, исследования состоит в следующем:

1. В отличие от предыдущих работ, н которых возможности термодинамики демонстрировались фрагментарно, в данном исследовании предложена целостная методическая система изложения феноменологической термодинамики и устранена обособленность термодинамики при изложении физики. Такая методика находится* в согласии с современными тенденциями •преподавания физики в средней школе.

2. Обоснована роль и место термодинамики при углублённом изучении физики и рассмотрены возможности её применения ири изучении тепловых явлений из различных разделов физики ("Механика", "Электрочество и магнетизм")

3. В работе обоснована необходимость и возможность изучения в специализированных классах методов термодинамического исследования: метода циклов и метода теромодинамичесских потенциалов.

4. Предложенная методика изучения термодинамики основана на новом планировании курса физики, когда раздел "Молекулярная физика. Тепловые явления" изучается на третьем, году обучения -после электродинамики. ' -

Теоретическое значение • исследования определяется разработкой методических основ .такого подхода к обучению феноменологической термодинамике, при котором обеспечивается не только эффективное усвоение основ феноменологической термодинамики, но и развитие творческих способностей учапдахся. В исследовании сконструирована система знаний но термодинамике для . специализированной средней школы, направленная на реализацию методологического подхода к изучению физики и удовлетворяющая основным требованиям дидактики.

Практическое значение исследования состоит в следующем:

1. Создана и . внедрена в практику обучения физике в ряде шкод Санкт-Петербурга конкретная методика преподавания термодинамики (основанная на феноменологическом подходе).

2. Разработано дидактическое обеспечение системы уроков

физики по теме "Молекулярная физика. Термодинамика".

3. Для системы непрерывного повышения квалификации учителей разработан и проведён цикл открытых уроков, ориентированных на демонстрацию возможной реализации предложенной методики обучения термодинамике.

Апробации результатов исследовании.

Теоретические выводы настоящего исследования докладывались на Всесоюзной конференции ФССО - 91 (Ленинград - Репино 1991г), на Санкт-Петербур1 ском фестивале учителей физики (1991г), на Герценовских педагогических чтениях (Ленинград 1990г), на семинаре по проблемам элитарного образования (С.- Петербург 1992г), на научно--методической конференции (Екатеринбург 1992г, Саранск 1992г). .

В результате проведенного исследования на защиту выносятся слрдую'дие положении:

1. Повышение эффективности углублённого обучения физике в средней ¡июле может быть обеспечено путем последовательного использования принципов феноменологического подхода при изучении термодинамики в соответствии с её историческим развитием и применением для анализа .явлений из различных разделов физики.

2. Методика изучения феноменологической термодинамики должна основываться на чёткой формулировке основных положений -определений, постулатов и начал термодинамики, а также на изучении методов циклов и потенциалов, являющихся общими методами исследования, применимыми для разных разделов физики.

3. Предложенная методика изучения раздела "Молекулярная Физика и термодинамика" одинакова для школ и классов различного профиля, в то время как отбор и об'ьём материала определяется типом учебного заведения. Универсальность данного подхода обеспечивает возможность преемственности и непрерывности образования.

Структура и обьём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Общий объём текста 153 страницы, список литературы включает 175 наименований. Работа иллюстрирована графиками, схемами, таблицами.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, определится предмет, задачи и методы исследования, (формулируется гипотеза и основные положения, выносимые на зашиту, определяется научная новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе "Научно - методические основы у- исихолого -педагогические особенности современного подхода к изучению феноменологической термодинамики" сделан обзор литературы,' посвящённой предмету исследования, и программ обучения физике, начиная с 1965 года. Знакомство с имеющимися материалами по теме показало, что в методике преподавания физики за последние 40 лет наметилась тенденция к структурному подходу в методологии изучения физики. Исследования, проводимые различными педагогическими институт ¿ми страны и лабораторией методов обучения физики НИИ ОСО РАО РФ и ГК НО РФ, показывают', что термодинамика вызывает традиционные сложности в её восприятии учащимися средней школы не только на уровне понимания физических процессов, но и на уровне воспроизведения. Применение термодинамических соотношений к негазовым системам приводит учащихся к недоумению. В этой связи в большинстве научно - методических работ (Виленской Н. И. , Кюлдкиевой М. С. , Лобань В. П. , Орехова В. П. , Усовой А. Е и др.) отмечается необходимость изменения методики преподавания раздела. В большинстве этих работ феноменологической термодинамике уделено незначительное место, в то время как упор на молекулярно -кинетический подход' сделан без соответствующих обоснований, что не способствует углублённому пониманию раздела

Попытки ряда авторов (Зворыкина Б. С., Коварского Ю. А. , Куиермана Г. Б., Батуриной Г. И., Свиткова JL П , Мултановского К Е) последовательного применения феноменологии в изучении раздела по тем или иным причинам не получили поддержки.

В настоящее время при существующей методике изучения термодинамики от учащихся ускользает то, что термодинамика устанавливает свяви между самыми разнообразными явлениями и процессами. Её всеобщие законы *приложимы ко всем отраслям

физики и химии: к свойствам газов, жидкостей, твердых тел, к химическим реакциям, к магнитным и электрическим явлениям, к явлениям излучения и космическим процессам. Бег термодинамики сложно представить современную теплотехнику, химическую промышленность, металлургию, возможность запуска космических кораблей и многое другое. В области своего применения термодинамика обладает и большой предсказательной возможностью.

С чем же связана возможность применения термодинамики практически ко всем разделам физики и всего естествознания? Достаточно вспомнить, что физика изучает наиболее простые формы движения материи, которые образуют довольно сложный конгломерат явлений, более или менее отличных друг от друга и, конечно же, связанных между собой.

Отсюда возникает двойственный вывод:

а) физика как наука - едина;

б) физика распадается на ряд разделов, каждый со своими основополагающими определениями и утверждениями и со своими спецификами в методике исследования поставленных задач в соответствующем разделе.

Если говорить о школьном курсе физики, то в нём выделят и изучают отдельно (часто вне всякой логической связи между ними) разделы: Механика, Молекулярная физика и термодинамика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны, Оптика, Специальная теория относительности, Элементы квантовой физики.

Универсальность термодинамики среди этих разделов связана с тем, что, используя уравнение состояния системы, термодинамика позволяет нам получать зависимости между различными характеристиками системы. На эту особенность термодинамики следует обратить особое внимание на всем протяжении её изучения как на.основной подход к исследованию термодинамических систем.

Огромное количество естественно-научных и нрикладшж задач ваключается именно ь изучении свойств тел и процессов, в них происходящих. В свою очередь ответы на эти вопросы и есяб предмет изучения термодинамики. ■ При этом собственно термодинамика решает более общие задачи, а частные - прикладные её разделы, носящие различные названии: "Техническая

термодинамика", "Теплотехника", "Свойства материалов в экстремальных условиях" и т. д., так же основанные на методах и основных положениях термодинамики.

С другой стороны, термодинамика - столь широкий раздел физики, что без привлечения сюда элементов буквально всех остальных разделов физики немыслимо решение целого ряда фундаментальных аадач о свойствах тел и процессов в них.

Поэтому изучение термодинамики сразу после механики обедняет возможности раздела и создаёт неверное впечатление у учащихся о применимости термодинамики только для идеального газа

Исходя из рассмотрения вышеуказанных примеров . и аргументов, приходим к выводу о том, что термодинамический подход является общим методом исследования, применимым для разных разделов физики.

Общность же подхода определена тем, что в исходных понятиях термодинамики и её основных уравнениях фигурируют такие понятия, как энергия системы и закон её изменения.

Традиционно, как говорилось выше, в задачи собственно термодинамики входят лишь такие, в которых требуется что-то определить в связи с изменением собственно термодинамического состояния системы (то есть что-либо, связанное с калорическими или термическими её характеристиками). Отсюда говорит, что термодинамика не рассматривает чисто механические, нолевые, волновые процессы и другие.

В общгм же случае, как указывалось в перечисленных задачах,' термодинамика рассматривает (и решает) задачи в самом широком диапазоне: от нагрева какого-либо тела до процесса образования и эволюции Вселенной.

Многообразие задач термодинамики и общность подхода к их решению - благодатная область для активной поисковой и исследовательской деятельности как обучающего, так и обучаемого..

Во второй главе "Основы методики изложения феноменологической термодинамики" описана разработанная последовательность изучения термодинамики. Предлагается на наш взгляд методически целесообразный способ введения определений

основных термодинамических понятий и отобраны наиболее удачные и глубоко отражающие суть формулировки постулатов термодинамики и предложены демонстрации, поясняющие и иллюстрирующие их.

I закон термодинамики рассматривается традиционным образом, однако акцентируется внимание на входящих б данное уравнение величинах, которые рассматриваются как функция -процесса и функция - состояния.

Наиболее существенным образом пересмотрен вопрос о введении II закона термодинамики. Наряду с классическими формулировками Клаузиуса и Томсона в специализированных классах, кроме доказательства их эквивалентности, приводится ещё одна формулировка - принцип Каратеодори. Несмотря на внешне кажущуюся сложность формулировки Каратеодори, она позволяет ионовому увидеть внутреннюю сущность термодинамики.

Изучение II закона термодинамики позволяет рассматривать такие политехнические вопросы, как принцип работы тепловых машин. Тепловые машины (в том числе холодильники и тепловые, насосы) широко применяются в современной технике, что несомненно приводит к необходимости их изучения в курсе физики средней школы. Интерес к этому вопросу периодически возникает в научно - популярной литературе, где высокая эффективность этих машин преподносится как некоторое непонятное явление. В действительности никаких принципиальных трудностей в этом вопросе нет, и можно дать простое количественное и качественное объяснение возникающего парадокса, основываясь на известной формуле для КПД теплового двигателя.

Действие теплового двигатели,» холодильной машины и теплового насоса основано на одних и тех же закономерностях, что позволяет рассматривать работу этих машин с единых позиций.

На основе разобранных формулировок II закона термодинамики и. цикла Карно предложена методика введения понятия "энтропия" -одного из важнейших понятиятий физики.

На основе этого учащиеся, изучающие термодинамику ъ специализированных классах, знакомятся с методами феноменологической термодинамики - методом циклов и методом термодинамических потенциалов.

Приводятся примеры решения задач методом циклов. В

диссертации показано, как на школьном уровне, не выходя за рамки программы средней школы, могут быть получены решения следующих задач: уравнение Клапейрона - Клаузиуса (для фазовых переходов), уравнение внутренней энергии диэлектрика во внешнем электрическом поле и другие.

Использованный в решении задач метод циклов основывается •на том, что изучаемую систему мысленно заставляют совершить некоторый обратимый цикл, как правило это бывает цикл Карно, тогда второй закон термодинамики применяется в виде выражения КПД для этого цикла, что с одной стороны не выходит за рамки программы средней школы, а с другой - дает возможность рассматривать более сложные термодинамические системы, чем идеальный газ.

Наряду с методом циклов при решении задач используется метод термодинамических потенциалов.

При изучении 1 закона термодинамики было определено понятие "функция состояния". При рассмотрении метода термодинамических потенциалов этот вопрос получает дальнейшее развитие. Метод термодинамических потенциалов при углублённом изучении физики позволяет рассматривать такие задачи, как, например, подсчёт внутренней энергии диэлектрика, находящегося в электрическом ноле.

Решая подобные задачи, мы формируем у учащихся более полное представление о возможностях термодинамики, показываем универсальность и общность подходов к решению задач и методов их решения. Изучая термодинамические законы.и используя при этом электромагнитные системы, мы показываем связь между различными разделами физики , избегая традиционно сложившейся оторванности термодинамики в изложении физикй в школьном курсе.

Разработанная в процессе диссертационного исследования логическая последовательность изложения материала может быть использована, для школ и классов всех типов. Рекомендуемый перечень вопросов показан в виде таблицы "Перечень вопросов программы по термодинамике, предлагаемых к рассмотрению в школах различной направлености" (стр. 112-114 диссертации) с пояснениями к ней. В ней приведены результаты экспертных оценок, сделанных в ходе преподавания учителями

эксперименторами.

В третьей главе "Экспериментальная проверка эффективности обучения термодинамике на . основе использования феноменологического подхода" содержится организационно структурная и содержательная часть педагогического эксперимента, приводятся качественные , оценки предложенной методики.

Педагогический эксперимент проводился в школах и классах разной направленности, подготовительных курсах в течение 1989-1992 годов.

Контроль за ходом эксперимента регулярно осуществлялся путем педагогических срезов в экспериментальных и контрольных группах с последующей статистической обработкой и классификацией результатов.

В ходе эксперимента обнаружено качественное изменение уровня знаний, умений и навыков учащихся экспериментальных групп по сравнению с контрольными.

Достоверность наших утверждений' проверялась с помощью критерия знаков и метода экспертных оценок.

Апробация результатов исследования, осуществлялась на различного уровня методических конференциях и семинарах.

В Заключении приводятся основные выводы исследования.

основные выводы

При проведении исследования получены следующие результаты:

1. Аналив существующей методики обучения термодинамике показал, что уровень преподавания термодинамики в средней школе' находится на низком уровне.

2. Разработаны теоретические основы построения системы знаний и методов преподавания термодинамики.

3. Разработан и экспериментально проверен вариант программы обучения разделу "Тепловые явления". _

4. Проведена экспериментальная проверка разработанного содержания и методики преподавания.

5. Предложенная методика изложения термодинамики позволяет

устранить её обособленность при изучении данного раздела в средней школе, а также открывает возможность учащимся на основе основных положений термодинамики качественно и количественно описать характер энергетических процессов, протекающих в различных системах.

6. Феноменологический подход при изложении термодинамики в средней школе обеспечивает повышение эффективности изучения теоретических вопросов и решения задач, поэтому его следует рассматривать на определённых этапах обучения как доминирующий, используя молекулярно-кинетический подход для демонстрации физической природы термодинамических понятий.

7. Предложенная методика изложения . термодинамики способствует овладению учащимися методами термодинамического исследования и, обеспечивая их новыми методами познания, способствует развитию у них творческих способностей.

Разработанные основы • методики использования

феноменологической термодинамики адресованы учителям средних школ с учётом их направленности, средних учебных заведений и могут быть использованы в системе подготовки и повышения квалификации учителей физики.

Основные положения опубликованы в следующих печатных работах автора:

1. Кобушкина UE О преподавании термодинамики в курсе средней школы. // Рукопись ден. в ОДНИ "Под, и ик." - Рос. гос. нед. ун-т. С.-Пб.: 10.11.1992. N 179-92, - 10 стр. (Беа соавторов).

2. Кобушкина U. Е Электрические и магнитные системы с точки врении термодинамики // Нетрадиционное обучение физике в средней школе: Межву». сб. науч. трудов. - СШ. : Образование, 1992, - С, 104-113. (Бее соавторов),

3. Кобушкина U. В, Демонстрация тепловых аффектов в реальном I конденсаторе // Использование научно-технических достижений в демонстрационном эксперименте: Теаисы докладов межреспубликанской научно-методической конференции. - Саранск, 1992. - 0,23-24. (Без соавторов),