автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Формирование обобщенных понятий волнового движения на основе учебного эксперимента

Автореферат диссертации по теме "Формирование обобщенных понятий волнового движения на основе учебного эксперимента"

Р Г Б ОД

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

2 2 АВГ 199'!

ИНСТИТУТ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

На правах рукописи УДК 371.385: 53.05

АГАФОНОВА (МАМАЕВА) ЕЛЕНА СЕРГЕЕВНА

ФОРМИРОВАНИЕ ОБОБЩЕННЫХ ПОНЯТИЙ ВОЛНОВОГО ДВИЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ УЧЕБНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

13.00.02 - методика преподавания физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени / кандидата педагогических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Институте общеобразовательной школы Российской Академии образования

Научные руководители - кандидат педагогических наук,

старший научный сотрудник В.А.ОРЛОВ

- заслуженный деятель науки Удмуртской АССР, доцент В.В.МАЙЕР

Официальные оппоненты - доктор педагогических наук, профессор

А.А.ПИНСКИЙ

- кандидат педагогических наук, доцент О.Ю.ОВЧИННИКОВ

Ведущая организация - Московский педагогический университет

Защита состоится "23 " о? н т Л г 1994 года в 10 часов на заседании специализированного Совета в институте общеобразовательной школы Российской Академии образования по адресу: 119905, г. Москва, ул. Погодинская, дом 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " ^ " об^г-яка- 1994 года.

0Б1ЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуадьность исследования. Настоящий этап реформ общеобразовательной школы характеризуется глубокими переменами содержания образования. Современная концепция предполагает выделение базовой (обязательной) части физического образования для изучения всеми учащимися девятилетней школы. Содержание физического образования в старших классах определяется профилем дифференцированного обучения.

Одна из задач базового уровня - формирование представлений о всех формах движения материи.Распространенными формами движения материи являются колебательные и волновые процессы. Проведенные нами наблюдения и опросы показали, что учащиеся в основном плохо представляют особенности волнового движения. Большие трудности связаны с овладением школьниками таких понятий волнового движения как фаза волны, волновая поверхность и т.д. Как правило, учащиеся не могут объяснить распределение интенсивности в произвольной области волнового поля при интерференции и дифракции. Отсутствие верных представлений о волновых процессах принидит к формализации знаний школьников.В дальнейшем при обучении в вузе для многих из них оказываются недоступными вопросы волновой оптики,например,интерференционные методы исследования, теория амплитудной и фазовой дифракционной решетки,классическая теория дисперсии света и т.д. Таким образом, совершенствование методов и приемов формирования научных представлений о волновых процессах, обобщенных понятий волнового движения определило педагогическую проблему нашего исследования.

Теоретические основы формирования научных понятий в процессе обучения подробно рассматривались в трудах видных отечественных психологов и дидактов С.Л.Рубинштейна, А.Н.Леонтьева^ В.В.Давыдова, П.Я.Галь'перина,. Н.Ф.Талызиной, М.Н.Шардакова, Н.А.Менчинской, А.В.Усовой и др. Серьезные исследования по формированию физических понятий методами учебного эксперимента выполнены Т.Н.Шамало.

Анализ научной и учебной литературы показал,что существенный вклад в развитие формирования научных представлений о колебательных и волновых процессах внесли такие ученые,как А.Г.Столетов, .П.Н.Лебедев, Л.Я.Мандельштам, Г.С.Горелик, реализовавшие

единый подход к изучению общих закономерностей, свойственных волновым явлениям разной физической природы. В практике современной отечественной общеобразовательной школы единый подход к изучению колебаний и волн равной природы наиболее полно осуществлен в работах Б.М.Яворского, А.А.Пинского. Н.М.Шахмаева.О.Ф.Ка-бардина,В.А.Орлова и др. В методической литературе большое внимание уделяется и учебному эксперименту по колебаниям и волнам. Однако немалые трудности при изучении в школе волновых процессов сохраняются. Анализ наблюдений и опросов показывает,что это объясняется в первую очередь отсутствием перед мысленным взором учащихся зрительного образа того или иного волнового явления. Формирование такого образа требует значительных усилий в основном потому, что акустические и электромагнитные волны невидимы.

Один из видов механических волн, которые можно наблюдать непосредственно,- волны на поверхности жидкости.В учебной литературе в качестве иллюстраций явлений распространения, отражения, интерференции и дифракции часто используют фотографии волн на поверхности жидкости. Таким образом, эти волны нередко выполняют функцию модельных. Однако волновое движение на поверхности жидкости представляет собой сложный физический процесс, корректное иаучение которого требует рассмотрения более простых модельных явлений, например, акустических. Поэтому формирование обобщенных понятий волнового движения целесообразно проводить при изучении ввуковых или ультразвуковых волн. В большинстве случаев первые предпочтительнее, поскольку ультразвуковые волны не только невидимы, но и неслышимы. Считается, что учебный эксперимент со звуковыми волнами вполне разработан, но подробный анализ показывает, что он далеко не в полной мере используется для формирования обобщенных понятий волнового движения.

Иэ изложенного выше следует,что выбранная нами тема исследования "Формирование обобщенных понятий волнового движения на основе учебного эксперимента" актуальна.

Объектом исследования является процесс формирования обобщенных понятий волнового движения.

Предмет исследования: методика формирования обобщенных понятий, волнового движения посредством учебного эксперимента и дидактических материалов.

Цель исследования заключается в совершенствовании процесса обучения путем использования системы учебных экспериментов»;

- Б -

дидактических материалов, обеспечивающих формирование обобщенных понятий волнового движения у школьников с учетом дифференциации их обучения.

Гипотеза исследования. Если при введении и формировании у учащихся обобщенных понятий волнового движения в полном объеме использовать систему учебных опытов со звуком, базирующуюся на комплексном применении методов визуализации волн, и дидактических материалов на основе фотографий звуковых полей, то научно-методический уровень изучения волновых явлений возрастет, повысятся познавательные интересы школьников, расширятся возможности ознакомления учащихся с современными методами исследования, так как использование акустических волн в качестве модельных позволяет . осуществить формирование основных понятий волнового движения на самом раннем этапе и в дальнейшем рассматривать все виды волн с единых позиций, подробно изучая их природу и специфические особенности.

В соответствии с целью и гипотезой исследования были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать существующие методы формирования понятий, обосновать целесообразность использования учебного эксперимента со звуковыми волнами для формирования обобщенных понятий волнового движения в полном объеме.

2. Изучить методы визуализации звуковых полей, применяемые в научных исследованиях. Создать установки, необходимые для демонстрации и учебного исследования волновых процессов методами визуализации звука. Разработать приборы для измерения в учебном эксперименте параметров звуковой волны.

3. Разработать систему учебных опытов со звуковыми волнами в условиях дифференцированного обучения, удовлетворяющую дидактическим требованиям и научно обоснованным санитарным нормам.

4. Разработать методику использования в учебном процессе системы опытов со звуковыми волнами, включающую эксперименты по измерению параметров звуковой волны, доказательству существования явлений, характеризующих волновое движение, и дидактические материалы. Определить эффективность предложенной методики.

Для решения сформулированных выше задач применялись следующие методы исследования:

- изучение и анализ научной, учебной, методической литературы, нормативной документации по теме исследования,

- теоретическое и экспериментальное исследование учебных вариантов акустических экспериментов,

- опытно-конструкторская работа по созданию црвых учебных физических приборов и экспериментальных установок,

- изучение и обобщение опыта работы преподавателей физики, обобщение личного опыта работы в качестве учителя физики средней школы, опыта работы со слушателями подготовительного отделения и студентами педагогического института,

- проведение педагогического эксперимента и анализ его результатов.

Научная новизна исследования включает:

- методику формирования средствами учебного эксперимента со звуковыми волнами обобщенных понятий величин, характеризующих волну, и методику формирования обобщенных понятий явлений, характерных для волнового процесса,

- методы визуализации звуковой волны в школьном учебном физическом эксперименте, приборы, установки и дидактические материалы, позволяющие реализовать предложенную методику в общеобразовательной школе.

Новые результаты, полученные нами в процессе исследования, свидетельствуют о теоретической и практической значимости проделанной работы. Теоретическая значимость исследования состоит в том, что выполнен глубокий анализ состояния учебного эксперимента по волновым процессам, обоснована необходимость совершенствования учебного эксперимента со звуковыми волнами как наиболее перспективной модели для формирования обобщенных понятий волнового движения,предложен новый метод визуализации колебаний в звуковой волне и разработан- доступный для школы метод визуализации звуковых полей. Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная методика формирования обобщенных понятий средствами учебного эксперимента со звуковыми волнами, учебные приборы и установки, используемые методы визуализации звуковой волны доступны для учителей общеобразовательной школы, эффективны в практической работе и интересны для школьников.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждаются проведенным нами дидактическим экспериментом,согласованностью результатов оценки различными группами экспертов.

На защиту выносятся:

1. Методика формирования обобщенных понятий волнового движения средствами учебного эксперимента со звуковыми волнами.

2. Система опытов со звуковыми волнами, построенная на общей идее визуализации звука.

3. Дидактические материалы на основе фотографий' звуковых полей и методика их использования.

Апробация работы осуществлялась на научных конференциях Глазовского пединститута в период с 1976 по 1992 год, на курсах повышения квалификации учителей Удмуртии (1980-1990 гг.), на спецкурсах и спецсеминарах для студентов Глазовского пединститута, на научно-методическом семинаре "Учебный эксперимент по физике", на XXV Зональном совещании преподавателей фиэики,методики преподавания физики,астрономии и общетехнических дисциплин пединститутов Урала. Сибири и Дальнего Востока (г.Новосибирск), на XXI межвузовском научном семинаре (г. Челябинск).

Основные результаты исследования нашли отражение в 11 публикациях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит ив введения, трех глав, заключения,библиографии и приложения. Объем диссертации - 255 с., в том числе 162 с. текста. 64 рисунка на 33 с., приложение - 38 с. Библиография содержит список литературы,включающий 207 источников, в том числе 8 на иностранном языке.

Во введении определена научная проблема исследования,обоснована актуальность исследования, выделены объект и предмет исследования, сформулированы цель, гипотеэа, задачи и методы исследования; показаны научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость, апробация результатов исследования и приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе - "Совершенствование учебного эксперимента по физике как необходимое условие повышения эффективности формирования обобщенных понятий волнового движения" - рассматриваются дидактические основы применения учебного эксперимента для формирования обобщенных понятий,проанализировано состояние учебного физического эксперимента и обоснована целесообразность использования учебного эксперимента со звуковыми волнами как средства формирования обобщенных понятий волнового движения. В главе также показаны специфические особенности учебного эксперимента со звуком. В конце главы сформулированы задачи развития школьного физического эксперимента со звуковыми волнами и обозначены пути Их решения.

Опираясь на результаты исследований А.В.Усовой и Т.Н.Шамало, мы выделили модель формирования физического понятия средствами учебного, эксперимента, которая вкшочает в качестве этапов': введение понятия, формирование его в полном объеме и практическое использование понятия. На этих этапах достигаются цели:экспериментальное доказательство существования явлений, расширение и углубление знаний об явлении и развитие понятия при использовании его в практической деятельности.

Формирование научных представлений о волновом движении уже в базовом курсе физики требует прежде всего формирования у учащихся обобщенных понятий. К обобщенным понятиям волнового движения мы относим понятия, общие для каждого из видов воля независимо от их физической природы. Такими понятиями являются:

- понятия величин, характеризующих волну (амплитуда,интенсивность, частота, период, фаза, длина волны и т.д.),

- понятия явлений, имеющих место для волн любой природы (отражение, интерференция, дифракция и т.д.).

Проведенный нами подробный анализ учебных программ и учебных пособий для общеобразовательной школы, факультативных курсов, состояния школьного физического эксперимента по волновым процессам показал, что для формирования обобщенных понятий волнового движения предпочтительнее использовать звуковые волны, распространяющиеся в привычной для человека среде - воздухе.Такой выбор обусловлен,в частности, тем, что звуковые волны в во-зд\ке достаточно подробно изучаются в базовом курсе физики, механизм распространения продольных упругих волн доступен для понимания учащимися и легко моделируется, школьные кабинеты физики в основном обеспечены необходимым оборудованием. Мы считаем, что опыты с волнами на поверхности воды в силу причин, подробно проанализированных в первой главе,следует использовать в качестве иллюстративных экспериментов.Обогащение и развитие обобщенных понятий волнового движения осуществляют при изучении электромагнитных волн и основ физической оптики.

Во второй главе - "Система новых учебных опытов по акустике для формирования обобщенных понятий волнового движения"- дана краткая характеристика существующих методов визуализации звука и описаны разработанные нами для учебного физического эксперимента методы визуализации распределения интенсивности в звуковом поле, волновых поверхностей и визуализации колебаний в звуковой волне. В главе также предложена методика изучения экс-

периментальных методов исследования звуковых явлений в классах' с углубленным изучением физики. С учетом дифференцированного обучения разработана методика формирования обобщенных понятий величин, характеризующих волну, и понятий основных явлений волнового движения, базирующаяся на системе опытов со звуком. В главе описан комплект приборов для учебных опытов по акустике.

До настоящего времени широкому внедрению в учебный процесс опытов со авуком препятствуют две основные причины: 1) звуковые волны невидимы, следовательно, затруднено формирование у учащихся наглядно-чувственного образа явлений, 2) громкий монотонный , звук, а в школьных опытах чаще всего именно его используют, вы- , зывает неприятные ощущения и быстро утомляет учащихся. Устранение этих главных причин делает эксперимент со звуковыми волнами совершенно безупречным с точки врения дидактики, поскольку, как уже отмечалось выше,механизм распространения авуковых волн доступен для понимания учащимися среднего школьного возраста, звук ! учащиеся слышат и нет необходимости доказывать его существование.

Методы визуализации звуковых полей разнообразны и хороню | известны: визуализация легким порошком, деформация поверхностей ; жидкостей и пленок,ориентирующее действие звуковой волны и т.д. ¡' Однако в школьном физическом эксперименте предпочтительнее метод сканирования звукового поля миниатюрным приемником звука, I микрофоном. Приемник преобразует звуковой сигнал в злектричес- ( кий. который затем усиливают и подают на какой-либо визуализи- I руюций элемент: электронный осциллограф, графопостроитель, лампочку, линейны^ газоразрядный индикатор.

В предлагаемом нами учебном эксперименте использован наиболее перспективный метод сканирования звукового поля, основан-| ный на инерционности зрительного ощущения, который позволяет| учащимся воспринимать визуализированную картину непосредственно. Этот метод демонстрации волновых полей предложен В.В.Майером. Прототипом его является метод визуализации волновых полей, разработанный У.Коком для научных исследований. Идеи этих авторов 1 развиты э настоящем диссертационном исследовании. 1

В методе сканирования визуализация волновых полей осуществляется с помощью специальных приборов - индикаторов. Индикатор 1 состоит иэ приемника волны (для ввука - миниатюрного микрофона), соединенного через усилитель с визуализирующим элементом(неоно- : вой лампочкой, светодиодом, лампочкой накаливания) и закреплен-

ного рядом с приемником.перемещаемых в исследуемом поле механическим устройством. В диссертации приведено описание, классификация, сформулированы требования, которым должны удовлетворять индикаторы волны, позволяющие визуализировать интенсивность в любой точке ьолноеого поля вдоль некоторой линии и, наконец, в плоскости. Перемещение приемника и визуализирующего элемента в волновом поле осуществляется с-помощью специальных механических устройств, подробное описание которых также приведено в работе. Следует отметить, что хотя в настоящей диссертации рассматриваются лишь проблемы экспериментального изучения акустики, разработанные нами методы визуализации могут быть использованы и в опытах с сантиметровыми электромагнитными волнами.

При формировании понятий фаза, длина волны и им родственных важно дать учащимся возможность сравнить колебания в разных точках волнового поля.Если формируется понятие эффекта Доплера, учащиеся должны иметь возможность обнаружить малое изменение частоты колебания в фиксированной точке поля.Однако частота колебаний в звуковой волне велика и даже при использовании малои-н-рционных визуализирующих элементов в индикаторах инерционность зрения не позволяет учащимся видеть собственно колебания, например давления, в звуковой волне.

Поэтому мы разработали специальный индикатор для визуализации колебаний в звуковой волне,названный нами электронной или акустической лупой времени. Он, не изменяя характера звукового колебания или звуковой волны, дает увеличенное или растянутое по Бремени изображение этого колебания. Лупа времени состоит из приемника волны (микрофона), усилителя, инерционного визуализирующего элемента (лампочки накаливания, демонстрационного гальванометра) , опорного генератора с возможностью регулировки частоты и амплитуды опорного сигнала.

Лупа времени работает следующим образом. Микрофон и лампочку накаливания, закрепленные рядом и соединенные между собой через усилитель, помешают в исследуемое звуковое поле, создаваемое подключенным к звуковому генератору динамиком. С другого звукового генератора на вход усилителя подают опорный сигнал, очень мало отличающийся по частоте и амплитуде от звука, принимаемого микрофоном. Таким образом, на вход усилителя поступают два синусоидальных сигнала, они складываются, усиливаются и на лампочке оказывается усиленный сигнал, интенсивность которого меняется по тому же закону, что и звуковые колебания, принимав-

мые микрофоном, но с частотой, равной разности частот исследуемого и опорного сигналов. Поскольку лампочка индикатора инерционна, то своим свечением она реагирует именно на интенсивность поступающего на нее сигнала. Следовательно, регулировкой частоты опорного сигнала можно подобрать требуемый период колебаний свечения лампочки,который является увеличенным изображением периода колебаний в ?зуковой волне.Предлагаемый нами метод исследования звукового поля с помощью лупы времени представляет самостоятельный интерес для учебного процесса: он является одной из разновидностей широко используемого в научных исследованиях стробоскопического метода и, кроме того,применение опорного сигнала имеет важное значение в экспериментальной физике,например, в голографическом эксперименте. Поэтому, если в классах с обычным уровнем преподавания достаточно ограничиться общими сведениями, то на более высоком уровне обучения необходим детальный анализ метода. В диссертации приведена методика формирования понятия электронной лупы времени с привлечением математического аппарата, опирающаяся на демонстрационный эксперимент.

Для того, чтобы исключить негативное воздействие звука на учащихся, мы провели тщательный анализ существующего учебного физического эксперимента и школьного оборудования относительно соответствия существующим санитарным нормам. Результат исследования показал, что практически во всех учебных опытах используется эвук, громкость которого значительно превышает допустимый уровень в 65 дБ. Это связано прежде всего с тем, что усилители низкой частоты типа УНЧ-3, УНЧ-5, УНЧШ-1 малочувствительны и недостаточно устойчивы. Следовательно, если позволяют условия, в опытах надо использовать звуковые волны не частотой 1-3 кГц, как часто рекомендуют в методической литературе, а частотой 1015 кГц, поскольку при одинаковом уровне громкости интенсивность их заметно больше.Микрофоны типа ДЗМП-1 имеют максимум чувствительности именно в этой области, что наряду с небольшими размерами делает их наиболее пригодными в учебном эксперименте. При использовании в опытах звуковых волн более низких частот необходима более чувствительные усилители. Один из возможных чувствительных усилителей предложен в нашем исследовании. Во второй главе также приведено описание комплекта приборов, позволяющего реализовать углубленное изучение волнового движения в физико-математических классах.

Разрабатывая методику формирования средствами учебного эксперимента понятий величин, характеризующих волновое движение, в качестве базовых мы использовали учебники и учебно-методические работы Б.М.Яворского и А.А.Пинского, О.Ф.Кабардина и В.А.Орлова. Поскольку при введении понятия любой физической величины необходим количественный эксперимент, выявленная нами система опытов позволяет выполнить непосредственные измерения и получить численные значения величин, характеризующих звуковую волну. Такие величины строго определены: амплитуда, фаза, период, частота, длина волны, интенсивность, разность фаз,скорость распространения. При формировании этих понятий мы считаем целесообразным придерживаться того порядка,который определяется последовательностью анализа уравнения гармонической волны. Однако такая последовательность не является строго обязательной. Предлагаемая система опытов в зависимости от дидактических целей обеспечивает любую последовательность изложения материала. Система опытов включает усовершенствованные известные опыты и разработанные нами оригинальные эксперименты.

В школьном курсе физики рассматривают звуковую волну как процесс распространения волны сжатий и разрежений в упругой среде. Приемники звуковой волны, изучаемые в школе, реагируют на изменение давления в звуковой волне. Поэтому при формировании понятия амплитуды звуковой водны естественно рассматривать изменение давления в среде при распространении волны и измерять величину этого давления. В диссертации подробно описаны методы измерения амплитуды давления в звуковом поле и определения интенсивности звука.Кроме того,рассмотрен эксперимент по введению понятия субъективной характеристики звука - уровня громкости.

Понятие фазы является одним из самых сложных для усвоения учащимися. Прежде всего это свягано с тем, что фага водны не оказывает непосредственного воздействия на наши органы чувств. Проведенное нами исследование показало, что в учебном физическом эксперименте наиболее приемлемы следующие методы измерения фазы ввуковой волны.

1. Осциллографический метод, заключающийся в том, что исследуемый сигнал с микрофона и опорный со звукового генератора подаются на усилители соответственно вертикального и горизонта^ льного отклонения электронного осциллографа. По форме и ориентации получающейся на экране фигуры Лиссажу судят о разности фаз сигналов.

2. Интерференционный метод, представляющий собой наложение сигналов с микрофона и опорного генератора на резисторе с последующим усилением результирующего сигнала и подачей его на индикаторное устройство.

3. Визуализация колебаний в разных точках звукового поля посредством лупы времени.

4. Применение специального электронного прибора - акустического фазометра.

В работе подробно изложена только методика применения ос-циллографического метода и лупы времени при формировании понятия фазы звуковой волны. Способы применения интерференционного метода и акустического фазометра достаточно очевидны.

По определению длина волны - это минимальное расстояние между двумя точками, не лежащими на одной волновой поверхности, в которых колебания происходят в фаге. Поэтому при введении понятия длины волны пригоден любой из методов,указанных выше. Однако наибольшее эмоциональное воздействие на учащихся оказывает метод визуализации колебаний лупой времени.

Обобщенные понятия волновых явлений в методической литературе четко не обозначены. Как правило, ограничиваются изучением только отражения, преломления, интерференции и дифракции волн. Концепция основных явлений,совокупность которых определяет волновое движение,оформилась в результате исследований работающего под руководством В.В.Майера научно-методического семинара "Учебный физический эксперимент"при кафедре физики Глазовского пединститута. К основным явлениям волнового движения относятся: излучение волн,распространение волн, явление Доплера, интерференция волн, перенос энергии волнами, давление волн (радиационное давлёние), затухание (поглощение) волн, дисперсия, дифракция, отражение и преломление волн.Настоящее диссертационное исследование базируется на положении, что обобщенное понятие волнового движения может быть полностью сформировано только в результате экспериментального изучения указанной группы основных явлений.

Учащимся в качестве критерия отбора основных явлений волновой физики следует сообщить, что это такие явления, которые обусловили само возникновение физического понятия волны. Нестрого можно утверждать, что волновым называется такое движение, для которого имеет место перечисленные выше явления.Отсюда следует, что методика изучения волнового движения должна исходить из необходимости изучения основных явлений для волн разной при-

роды. Независимо от того, на каком уровне построено обучение, в основ* любой из методик должно лежать экспериментальное доказательство существования данной физической волны. Это означает, что учебный эксперимент должен обеспечить экспериментальное .доказательство существования основных явлений для волн разной при-ролы. Система опытов, предлагаемая нами, позволяет доказать существование основных явлений для звука и подробно изучить те, которые предусмотрены школьной программой и имеют большое практическое применение. В диссертации приведена методика экспериментального изучения основных явлений на примере акустических волн.

Методом сканирования звукового поля с помощью миниатюрного микрофона мы получили фотографии звуковых полей, которые позволяют показать распределение интенсивности и линий равных фаз при распространении звуковой волны от источника, интерференции, отражении,преломлении, дифракции. Часть из них приведена в диссертации. Разработанная нами методика применения фотографий звуковых полей и дидактические материалы, включающие диапозитивы и многовариантные контрольные работы, позволяют использовать фо-' тографии звуковых полей в школьном курсе физики в рамках существующей программы. В Приложении приведены методика использования фотографий звуковых полей и две контрольные работы:"Распространение звука" и "Интерференция звука от двух динамшфв".Применение фотографий позволяет с учетом индивидуальных особенностей отдельных учащихся и общей подготовленности класса варьировать вопросы по сложности в зависимости от уровней изучения явлений и проверки знаний учащихся.

в третьей главе - "Педагогический эксперимент" - представлены задачи, организация, методика проведения педагогического эксперимента и полученные результаты.Педагогический эксперимент заключался в проверке отдельных элементов методики и результатов исследования в целом и проводился в несколько этапов: предварительный, подготовительный, основной и внедрение результатов в педагогическую практику школы. Эксперимент проводился в школах г. Глазова и Глазовском пединституте.

Предварительный эксперимент выполнялся с небольшими перерывами в течение 18 лет с 1973 по 1991 гг.В целом эксперимент осуществлялся по константной методике, предусматривающей сопоставление полученных результатов с ранее имеющимися. На этом этапе были поставлены и решены следующие задачи: выяснить целесообра-

зность применения фотографий волновых полей при изучении звуковых и электромагнитных волн в курсе физики средней школы, выявить систему опытов со звуковыми волнами, позволяющую ввести и сформировать основные понятия волнового движения, а также связи между ними, разработать приборы и установки,обеспечивающие учебный эксперимент и отвечающие современным требованиям к школьному оборудованию, определить возможность изготовления предложенного оборудования учащимися под руководством учителя в условиях рядовой школы.

Констатирующий эксперимент показал, что разработанное нами оборудование полностью удовлетворяет потребностям учебного процесса, поэтому на последующих этапах педагогического эксперимента мы исследовали в основном предлагаемую нами методику.

При проведении подготовительного эксперимента(1991-92 гг.) мы проверили систему опытов со звуковыми волнами в полном объеме на занятиях со студентами Глазовского пединститута; выявили оптимальную серию вопросов в контрольной работе,позволяющую при минимальном их числе оценить полноту и глубину усвоения обобщенных понятий волнового движения; выбрали методику проведения основного педагогического эксперимента в школе.

Основной педагогический эксперимент по оценке предлагаемой в диссертационном исследовании методики мы проводили в 1992-93 гг. Задачи эксперимента: 1) проверка методики применения фотографий звуковых полей в учебном процессе общеобразовательной школы при традиционном изложении курса физики, 2) оценка методики формирования обобщенных понятий волнового движения средствами разработанной нами системы учебного эксперимента в полном объеме.

В соответствии с поставленными задачами отдельно был проведен эксперимент по исследованию эффективности использования только фотографий звуковых полей в общеобразовательной школе. Эксперимент проводился по традиционной методике. В нем участвовало 229 учащихся школ NN 2,4, б, 8, 12, 13, 15 г. Глазова. Все' учащиеся были разделены на две группы. В контрольной группе занятия проводились гак, как предусмотрено школьной программой, в экспериментальной группе - общепринятая методика дополнялась использованием фотографий звуковых полей.

Эффективность методики определяли методом поэлементного и пооперационного анализа, разработанным А.В.Усовой. В качестве математического метода обработки данных педагогического экспери-

мента мы использовали критерийквадрат,который позволяет выяснить, одинаковы или нет вероятности того, что учащиеся экспериментальной и контрольной групп усвоили понятие. В соответствии с критерием, предложенным В.П.Беспалько, мы считали понятие усвренным, если коэффициент усвоения был не меньше 0,7. Математическая обработка результатов дидактического эксперимента по применению фотографий звуковых полей показала, что коэффициент усвоения обобщенных понятий в экспериментальной группе выше,чем в контрольной.

Методика формирования понятий средствами предложенного в диссертации учебного эксперимента оценивалась экспертным методом. Экспертами были учителя школ г. Глазова, преподаватели фи-эики ПТУ Удмуртской республики,преподаватели Глазовского пединститута. Отдельную группу экспертов составили студенты выпускного курса физико-математического факультета.

При проведении экспертизы оценку новой методики проводили методом поэлементного сравнения ее с традиционной, которая выполняла функцию эталонной. Сравнение средних оценок обеих методик показало, что у предлагаемой она выше не менее чем на 70Х.

В качестве математического метода обработки полученных результатов мы использовали критерий Стьюдента. ДЛя этого, применив критерий Фишера-Снедекора, показали,что генеральные дисперсии двух совокупностей оценок равны. Затем, пользуясь критерием Стьюдента, подтвердили значимость различия между оценками сравниваемых методик.

Внедрение результатов. В настоящее время комплекты приборов для учебных опытов по акустике внедрены в практику работы пединститута и школы N 15 г.Глазова. Наборы дидактических материалов на основе фотографий звуковых полей применяются в учебном .процессе глазовских школ NN 4, 8, 12, физико-математического лицея и ГПТУ-24.

ВЫВОДЫ

Проведенное нами исследование показало, что формирование у учащихся обобщенных понятий волнового движения в полном объеме может быть осуществлено при использовании системы опытов со звуковыми волнами, базирующейся на современных методах визуализа-

ции звуковых полей,и тем самым подтвердило выдвинутую гипотезу.

В соответствии с целью исследования были решены следующие задачи:

1. Показано, что формирование обобщенных понятий волнового движения целесообразно осуществлять при использовании учебного эксперимента со звуковыми волнами.

2. Созданы приборы для демонстрации и учебного исследования волновых процессов методами визуализации звука: индикатор интенсивности волны в точке, сканирующие индикаторы, индикатор звуковых колебаний. Предложены приборы для измерения в учебном эксперименте параметров звуковой волны: измеритель акустического давления, фазометр, частотомер.

3. Разработана'система учебных опытов со звуковыми волнами в условиях дифференцированного обучения, включающая 32 новых и модернизированных эксперимента,которая удовлетворяет дидактическим требованиям и научно обоснованным санитарным нормам.

4. Предложена методика формирования обобщенных понятий волнового движения, базирующаяся на системе опытов со звуковыми волнами. Разработаны дидактические материалы на основе фотографий звуковых полей, включающие 10 диапозитивов и 12 вариантов контрольных работ. Педагогический эксперимент подтвердил эффективность предложенной методики.

Результаты теоретического и экспериментального исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Модель формирования физического понятия средствами учебного эксперимента должна включать в качестве этапов: введение понятия, формирование его в полном объеме, практическое использование понятия. На каждом из этапов должно быть соответственно осуществлено доказательство существования явлений, расширение и углубление знаний об явлении, обогащение и развитие понятия при использовании его в практической деятельности. Содержание учебного эксперимента на каждом из этапов определяется уровнем дифференцированного обучения.

2. Формирование обобщенных понятий волнового движения целесообразно осуществлять на основании системы учебного эксперимента со звуковыми волнами. Основой этого эксперимента должны явиться современные методы визуализации звука. Фотографии звуковых полей необходимо использовать в качестве дидактического материала.

Основные, результаты исследования опубликованы в следующих работах автора:

1. Сканирующий индикатор для фотографирования волновых полей // Физика в школе. - 1976.- N 4.- С.70 - 78. (В соавторстве с В.В.Майером).

2. Опыты с порошковыми фигурами // Квант. - 1976.- N 8.

- С. 30 - 34. (В соавторстве с В.В.Майером).

3. Об использовании фотографий звуковых полей в учебном процессе // Физика в школе. - 1977. - N 3. - С. 50 - 54. (В соавторстве с А.А.Исуповым, В.В.Майером, С.А.Мараткановым.Ю.А.Та-руновым)•

4. Демонстрация волновых поверхностей звукового поля// Физика в школе. - 1982.- N 3. - С. 48 - 49. (В соавторстве с В.В. Майером).

5. Учебный эксперимент с ультразвуковыми импульсами: Учеб. пособие / Перм. гос. пед. ин-т. - Пермь, 1984. - 68 с. (В соавторстве с В.В.Майером и В.Ф.Колупаевым).

6. Самостоятельный эксперимент при изучении акустической зонной пластинки // Организация и формы самостоятельной работы студентов и учащихся: Тезисы докладов XXV Зонального совещания преподавателей физики, методики преподавания физики, астрономии и общетехнических дисциплин пединститутов Урала, Сибири и Дальнего Востока. - Новосибирск: Изд. НГПИ, 1990. - С. 115-116. (В соавторстве с В.В.Майером).

7. Наблюдение колебаний камертона// Физика в школе.- 1991.

- N 3. - С. 83. (В соавторстве с В.В.Майером).

8. Полупрозрачный матовый экран// Физика в школе. - 1992.-N 3-4. - С.35. (В соавторстве с В.В.Майером).

9..Формирование понятия "Явление Доплера" средствами учебного физического эксперимента // Научные понятия в современном учебном процессе школы и вуза: Тезисы докладов.Ч.1.- Челябинск, 1993. - С.115. (В соавторстве с В.В.Майером и Р.В.Майером).

10.Современная технология экспериментального изучения акустики как средство формирования обобщенных понятий волнового движения // Преподавание физики и астрономии в школе:Состояние, проблемы, перспективы: Тезисы докладов.- Нижний Новгород, 1994. -С. 52 - 53. (В соавторстве с В.В.Майером).

11. Формирование основных понятий акустики при использовании лупы времени // Физика в школе. - i994. - N 3. - С.41 - 51. (В соавторстве с В.В.Майером).