автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Изучение фундаментальных положений квантовой физики на разных уровнях образования

Автореферат диссертации по теме "Изучение фундаментальных положений квантовой физики на разных уровнях образования"

На правах рукописи УДК 372.016:53

Петрова Дарья Владимировна

ИЗУЧЕНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ НА РАЗНЫХ УРОВНЯХ ОБРАЗОВАНИЯ

Специальность 13.00.02 — теория и методика обучения и воспитания (физика, уровни общего и профессионального образования)

005555877

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Санкт Петербург 2014

2 7 НОЯ 2014

005555877

Работа выполнена на кафедре методики обучения физике Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»

Научный руководитель Гриб Андрей Анатольевич

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры теоретической физики и астрономии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»

Официальные оппоненты: Прохватилов Евгений Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц Санкт-Петербургского государственного университета Матарцева Елена Анфиногентовна

кандидат педагогических наук, учитель физики Государственного бюджетного образовательного учреждения средней

общеобразовательной школы № 183 с углубленным изучением английского языка Центрального района Санкт-Петербурга Ведущая организация

Государственное бюджетное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования (повышения квалификации) специалистов Санкт-Петербургская академия постдипломного педагогического образования

Защита состоится 26 декабря 2014 года в 18.30 часов на заседании Совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.199.21, созданного на базе Российского государственного педагогического университета имени А. И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 3, ауд. № 52.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета имени А.И. Герцена и на сайте университета по адресу: http://disser.herzen.spb.ru/Preview/Karta/karta_000000103.html.

Автореферат разослан «28» октября 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета / ' Анисимова Надежда Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

В настоящее время отечественное школьное образование вступило в новый этап своего развития. Внедрение дифференцированного подхода к школьному образованию, идея организации непрерывного образования в системе школа - вуз и набирающая темпы и размах информационная революция вызывают и предполагают глубокие изменения как в сфере всего школьного образования, так и физического образования, в частности. В связи с этим возникает необходимость в обеспечении учителей новым методическим материалом, отвечающим современным педагогическим и информационным тенденциям в образовании.

Актуальной является проблема ознакомления учащихся с современными достижениями в физике и, в частности, проблема освещения некоторых положений квантовой физики. Во многом это связано с тем, что изложение подобных вопросов в средствах массовой информации часто бывает ошибочным и противоречащим современной науке.

Безусловно, существует большое количество хорошей учебной литературы по квантовой физике, однако, как правило, материал в ней излагается достаточно сложным математическим языком. К сожалению, малоизвестны некоторые принципы, которые позволяют лучше понять материал по квантовой физике и которые можно ясно изложить на вербальном уровне, доступном даже учащимся школ. Например, фоковский принцип относительности к средствам измерения позволяет лучше понять суть принципа неопределенности Гейзенберга, однако его не приводят в большинстве современных учебников по физике. Важно опираться на современные достижения в физике при преподавании квантовой механики.

Вышеназванные тенденции обусловливают необходимость сущностного изменения содержания, характера и направленности обучения некоторым разделам современной физики, либо введения нового курса физики. В конечном счете успех образовательного процесса в этой области будет зависеть от содержания и организации учебной деятельности учащихся.

Анализ сложившейся ситуации выявляет противоречия:

• между существующим низким качеством знаний учащихся по квантовой физике и значительным интересом школьников и студентов к этой области науки;

• между изложением ряда принципов квантовой механики в широко используемых учебниках по физике и современными положениями квантовой теории;

• между потребностью учащихся в изучении некоторых положений квантовой физики и отсутствием курсов, содержащих современную и адаптированную к школьному уровню знаний информацию.

Указанные противоречия выявляют проблему исследования: нахождение эффективного пути повышения качества естественнонаучного образования, обеспечивающего возможность углубленного изучения курса физики и формирования современного научного мировоззрения учащихся за счет

структуризации и адаптации материала, отражающего современное состояние квантовой теории и являющегося доступным и интересным для учащихся.

Сформулированная проблема послужила основанием для определения темы исследования: «Изучение фундаментальных положений квантовой физики на разных уровнях образования».

Цель исследования: разработка методики изложения некоторых фундаментальных и сложных для понимания учащимися вопросов квантовой физики, способствующих углублению изучения этой области науки и развитию познавательного интереса учащихся в современной средней щколе и на первых курсах физических факультетов. Для этого избраны вопросы современной физики, которые, несмотря на строгое математическое описание, не доступны обыденному воображению и противоречат ему.

Гипотеза исследования развивалась в процессе работы. В окончательном виде гипотеза сформулирована следующим образом: если материал, касающийся современной квантовой физики, представить на доступном, понятном и интересном уровне изложения, то у учащихся школ и вузов повысится качество знаний по физике за счет увеличения интереса не только к этой проблеме, но и к физике и целом, что приведет к повышению общего уровня образования.

Исходя из сформулированной цели, были поставлены следующие задачи исследования:

1. Проанализировать изложение разделов квантовой физики в учебниках по физике для школ и вузов.

2. Обосновать возможность отбора и изложения материала по квантовой физике в школах и на первых курсах университетов на языке, доступном для школьников и студентов.

3. Провести отбор материала и разработать методику изложения этого материала для учащихся старших классов школ и младших курсов вузов. Разработать и апробировать элективные курсы по квантовой физике, предназначенные для учащихся средней школы, а также курсы по выбору для студентов физических факультетов.

4. Оценить возможность усвоения данного материала, включенного в элективные курсы, и его влияния на повышение интереса к изучению физики.

Объект исследования: процесс обучения физике в средней и высшей школе.

Предмет исследования: изложение основ квантовой физики с учетом современного развития данной темы и адаптации к разному уровню образования.

Методологическую основу исследования составляют:

• Труды по фундаментальной физике (Е.И. Бутиков, A.C. Кондратьев,

A. Боум, Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Р. Фейнман, В.А. Фок, А. Эйнштейн).

• Труды по квантовой механике (A.A. Гриб, А. Боум, М. Джеммер, П. Дирак, К. Коэн-Таннуджи).

• Труды по методологии и психолого-педагогическая литература (А.Я. Баскаков, В.Н. Гуляихин, С.Б. Куликов, B.C. Степин, Ю.И. Петров, И. Лакатос, A.B. Усова, Е.В. Ушаков, П. Фейерабенд, Г.И. Щукина).

• Труды по истории физики (Я.Г. Дорфман, Л. Инфельд, Ф. Капра, М. Колтун, П.С. Кудрявцев, Ф. Кэмпфер, М. Лауэ, М. Льоцци, Дж. Мэрион,

B.И. Спасский).

• Труды по проблеме взаимосвязи философии и физики (В. Гейзенберг, B.C. Готт, И.В. Кузнецов и другие).

Методы исследования подбирались в соответствии с его задачами. На различных этапах исследования использовались следующие методы: теоретический анализ литературы по теме исследования, изучение и обобщение мирового педагогического опыта, проведение занятий со школьниками и студентами первого курса, педагогические измерения (беседы, анкетирование учителей и учащихся), педагогический эксперимент.

Научная новизна исследования заключается в том, что впервые показано, что материал, касающийся ряда фундаментальных вопросов квантовой физики, традиционно отсутствующих в большинстве учебников в силу достаточно сложного математического аппарата, может быть изложен на уровне, доступном для учащихся старших классов школ и студентов первых курсов вузов. К таким вопросам, в частности, относятся фоковский принцип относительности к средствам измерения и неравенства Белла. Разработки доведены до практического применения в школе и вузе.

Достоверность н обоснованность результатов и выводов исследования обеспечиваются:

1) опорой на труды и исследования известных физиков и методистов;

2) использованием современных средств подачи информации;

3) положительными результатами педагогического эксперимента и одобрением предложенной методики со стороны практикующих учителей.

Теоретическая значимость результатов исследования:

1. На основе анализа учебной литературы, касающейся основ изложения квантовой физики в школе и вузе, а также работ физиков-теоретиков по данной проблеме, показано, что существующие варианты этого изложения, как правило, не включают ряда ключевых современных положений теории и описание экспериментов, подтверждающих эти положения.

2. Показано, что ряд положений современной физики, традиционно отсутствующих в широко распространенных учебниках, можно изложить на уровне понимания школьниками и студентами младших курсов при соответствующем отборе материала и методики изложения.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработаны элективные курсы по квантовой физике для школьников старших классов с учетом современных открытий в области квантовой физики.

2. Разработаны курсы по выбору по квантовой физике для учащихся младших курсов вузов. Сложные принципы квантовой механики излагаются по мере возможности на вербальном уровне, что способствует большей доступности этого предмета.

3. По материалам данной диссертации для учащихся создана компьютерная разработка, размещенная на веб-сайте www.catandphvsics.narod.ru.

Апробация работы проходила на международной научно-практической конференции «Герценовские чтения» на тему «Актуальные проблемы обучения физике в средней и высшей школах» (СПб., 2009), а также со студентами первого курса Санкт-Петербургского государственного политехнического университета и со школьниками.

Защищаемые положения:

1. Анализ учебных пособий и программ школьного и вузовского курсов физики и работ физиков-теоретиков, касающихся преподавания квантовой физики, позволяет сделать вывод о том, что большинство учебных пособий не содержит ряда фундаментальных положений теории и подтверждающих их экспериментов, важных для понимания сути квантовой теории (фоковский принцип относительности к средствам измерения и неравенства Белла).

2. Изложение соответствующих положений может быть проведено на уровне, доступном для понимания учащимися старших классов и студентами первых курсов вузов без использования традиционно применяемого сложного математического аппарата при условии внедрения ряда методических разработок.

3. Проведение элективных курсов в старших классах школы, а также курсов по выбору для студентов с включением материала по квантовой физике, адаптированного для соответствующего уровня, позволяет повысить качество знаний по физике и способствует углублению знаний учащихся и развитию их познавательного и профессионального интереса.

Структура и объем диссертации. Объем диссертации составляет 129 страниц. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, и библиографии из 118 наименований. Текст содержит 24 рисунка, 6 таблиц и 14 гистограмм.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, ее научная новизна, определяются цель и задачи, формулируются выносимые на защиту положения.

В первой главе «Научно-методический анализ современного изложения квантовой физики в учебниках для средних и высших учебных заведений» обосновывается важность включения материала по квантовой физике, содержащего фоковский принцип относительности к средствам измерения и отрицательные эксперименты, в программу обучения учащихся. Показано, что данный материал важен для понимания квантовой физики. Кроме того, преподавание данного материала способствует углублению знаний учащихся и развитию их познавательного и профессионального интереса. Познавательный интерес возникает при знакомстве с квантовым миром. Одна из самых важных тем квантовой физики — принцип неопределенности Гейзенберга. Существует множество трактовок данного принципа. Принцип неопределенности был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году. В пределах широко, но не универсально принятой копенгагенской интерпретации квантовой механики принцип неопределенности принят на элементарном уровне. Физическая вселенная существует не в детерминистичной форме, а скорее как набор вероятностей или возможностей. Например, картина (распределение вероятности) произведенная миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом. Копенгагенская интерпретация считает, что это не может быть предсказано вообще никаким методом.

Именно эту интерпретацию Эйнштейн подвергал сомнению. В 1927 году на Пятом Сольвеевском конгрессе Эйнштейн решительно выступил против «копенгагенской интерпретации» Макса Борна и Нильса Бора, трактующей математическую модель квантовой механики как существенно вероятностную. Эйнштейн заявил, что вероятностный характер свидетельствует лишь о том, что наше знание физической сущности микропроцессов неполно. В 1935 году вместе с Борисом Подольским и Натаном Розеном он написал статью «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», в которой описал мысленный эксперимент, который впоследствии был назван парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена.

Дэвид Бом в 1951 году предложил схему эксперимента, т. н. оптический вариант ЭПР-опыта, который смог бы разрешить спор Эйнштейна - Бора, а в 1964 году Джон Стюарт Белл вывел критерий, по которому можно определить, какой из теорий отдать предпочтение. Результаты экспериментов, проведенных в 1972 году Стюартом Дж. Фридманом и Джоном Ф. Клаузером в Калифорнийском университете в Беркли, согласовывались с квантовой механикой, и было зафиксировано нарушение неравенств Белла. В 1982— 1985 годах Алан Аспект делает серию более сложных экспериментов, результаты которых также совпадают с предсказаниями квантовой механики и

отмечают отклонение от неравенств Белла. Таким образом, Алан Аспект подтвердил справедливость положений квантовой механики.

Видно, что многие десятилетия величайшие физики стремились разрешить спор, возникший между Бором и Эйнштейном о справедливости положений квантовой механики. Экспериментальные подтверждения нарушения неравенств Белла поставили точку в данном споре. В квантовом мире каждой физически наблюдаемой величине А ставится в соответствие оператор, который можно обозначить той же буквой. Было показано, что квантовые величины (А, В, С), описываемые некоторыми операторами в квантовом мире, характеризуются числами относительно соответствующих экспериментальных установок. Величины в квантовой механике не существуют безотносительно прибора. В первой главе диссертации были проанализированы учебники для средней и высшей школы, в которых авторы знакомят нас с данным вопросом, на предмет соответствия представленного в них учебного материала современным достижениям в физике.

К сожалению, в учебниках не всегда учитывают современные научные изыскания и эксперименты. Зачастую в учебниках не говорится ничего о ситуации вокруг данного вопроса на сегодняшний день. Следует отметить, что в диссертации не предполагается непосредственная критика авторов, но даются комментарии к некоторым учебным пособиям, которые перепечатываются с советских времен без соответствующего научного редактирования. Следует особо подчеркнуть, что эксперименты претендента на Нобелевскую премию, всемирно известного французского физика Алана Аспекта, внесли огромный вклад в современную пауку. Необходимо учитывать успехи современной науки при переиздании учебной литературы.

Сделан следующий вывод по главе: существует достаточное количество материала по квантовой физике, однако такие важные проблемы, как фоковский принцип относительности средствам измерения и отрицательные эксперименты, полностью отсутствуют в учебной литературе, несмотря на то, что позволяют учащимся лучше понять квантовую механику.

Во второй главе «Основы методики изложения принципов квантовой механики в курсе общей физики в средних и высших учебных заведениях» рассмотрены темы, которые следует преподавать для лучшего понимания квантовой физики, но которых, однако, нет в большинстве учебников. В частности, классический двухщелевой эксперимент, отрицательные эксперименты, фоковский принцип относительности к средствам измерения.

В качестве примера иллюстрации особой роли измерения, не сводящегося к силовому воздействию, рассмотрим случай, предложенный А. Элитзуром и Л. Вайдманом. На рис. 1 представлен интерферометр, имеющий два оптических входа.

источник

о

разделитель .пуча

детектор 2

Рис. 1. Интерферометр, имеющий два оптических входа

Фотон «выстреливается» (имеется в виду распространение волнового пакета) в точку 1, где установлено полупрозрачное зеркало. Он может попасть в точку 3, пройдя по пути 1-2-3, либо 1-4—3. Если нет возможности проверить, по какому пути прошел фотон, то в точке 3 мы будем наблюдать интерференционную картину. Пусть при интерференции детектор 2, установленный вблизи точки 3, всегда дает ответ «да», а детектор 1 всегда дает ответ «нет».

Однако если каким-либо образом можно проследить, по какому пути прошел фотон, интерференция не наблюдается и тогда детектор 1 может дать ответ «да». Теперь представьте, что человек раздобыл две разные бомбы. Одна из них не сможет взорваться, если на ее поверхности окажется фотон, а другая, наоборот, сразу взорвется, если фотон достигнет ее поверхности.

Можно ли провести эксперименты с фотонами и понять, взорвется ли одна из бомб, не взрывая ее? С точки зрения классической физики это невозможно, однако какой ответ дает квантовая физика? Проведем три эксперимента. Посмотрим, что будет происходить когда:

I — бомбы вообще нет.

П - установлена бомба, которая не взрывается, если на ее поверхности окажется фотон, - он просто полетит сквозь нее.

III - установлена бомба, которая взрывается, если на ее поверхность попадает фотон.

I. Когда бомбы нет, можно наблюдать интерференционную картину. Детектор 2 даст ответ «да», а детектор 1 - «нет».

II. Теперь установим бомбу на входе 1—4—3.

В данном случае между бомбой и фотоном не будет взаимодействия, и мы будем наблюдать интерференционную картину. Детектор 2 даст ответ «да», а детектор 1 всегда дает ответ «нет». Так, этот случай аналогичен первому.

III. Теперь мы имеем дело с бомбой, которая взрывается при попадании фотона на ее поверхность. Здесь следует принять во внимание, что для квантовой частицы важна сама вероятность взрыва (из-за того, что бомба может

Итак:

взорваться, можно знать путь, пройденный фотоном в интерферометре), и интерференционная картина исчезает. Существует любопытная вероятность отрицательного эксперимента, когда бомба, установленная в 1-4-3, может взорваться, но этого не происходит, так как фотон движется по пути 1-2-3! Тогда детектор 1 дает ответ «да». Интерференционная картина исчезает, и мы поймем, что бомба взорвется, если фотон коснется ее поверхности, не взрывая бомбу! Удивление состоит в том, что в классической физике мы не могли бы получить такую информацию. Квантовая частица, проходя по 1-2-3 как бы «чувствует» наличие бомбы в 1^4-3. Данный эксперимент имеет огромное значение, так как демонстрирует, что при отсутствии физического взаимодействия микрообъекта и прибора меняются свойства частицы.

Рекомендуется провести с учащимися игру, когда вызывается один из учеников, а остальные сидят на местах или по периметру «интерферометра», ограничивая его структуру. Ученик играет роль фотона. Другой ученик играет роль бомбы. Первый ученик должен принять решение, как ему себя вести в зависимости от того, есть ли бомба. Можно привести аналогию, что в квантовом мире частицы как бы обладают свободой воли (термин, предложенный Полем Дираком).

Также важно понять принцип «относительности к средствам измерения». Этот принцип был предложен великим петербургским ученым Владимиром Александровичем Фоком. К сожалению, этот принцип не известен широко, несмотря на то, что позволяет понять современные эксперименты по квантовой физике и лучше освоить информацию. Он включен в элективный курс и курс по выбору и подробно рассмотрен во второй главе диссертации. В классической физике свойства объекта (скорость, импульс и т.д.) можно измерить одновременно с помощью различных приборов. Значения свойств не зависят от приборов, которыми мы пользуемся. Однако в квантовой физике наличие прибора принципиально необходимо для самого существования численных значений при измерении свойств микрообъекта, и это называется «относительностью к средствам наблюдения». Прибор в квантовой физике играет роль системы отсчета в теории относительности.

В теории относительности численное значение длины предмета определено относительно системы отсчета, в которой она измеряется и не существует «абсолютно». В этой теории длина предмета, а также длительность процесса, определены «относительно» системы отсчета, представляющей собой другое тело (или набор тел - линеек и часов). Тем самым длина и длительность есть не столько атрибуты физических объектов самих по себе, сколько «отношения» одних тел и процессов к другим телам и процессам. Поэтому изменение движения системы отсчета приводит к изменению «отношения» -длины и длительности. Конечно, в теории относительности есть собственная система отсчета, так что можно говорить об «отношении» тела к самому себе, так что замена атрибутов на отношения не столь резкая, как это происходит в квантовой физике. Важно, однако, что лоренцево сокращение масштабов не

следует понимать как силовое «взаимодействие» системы отсчета и измеряемого тела.

Точно так же «возникновение» и изменение свойств квантового объекта не следует понимать как результат физического «взаимодействия» с прибором, как об этом говорится в некоторых учебниках.

В квантовой физике различие между прибором и изучаемым объектом более радикальное, чем в теории относительности. Прибор - это такая система квантовых объектов, которая используется наблюдателем для получения информации о микрообъекте, так что эта система характеризуется только коммутирующими операторами и в этом смысле является классической. Показания прибора описываются числами. Изучаемый квантовый объект и его свойства не описываются безотносительно прибора (сами по себе) числами. Если квантовые объекты существуют вне прибора, то они описываются операторами, а не числами. Эти операторы - разные для разных частиц. При измерении оператор становится одним из их собственных чисел.

Можно сказать, что квантовый объект не наблюдаем нашими органами чувств, но наблюдаем математическим разумом, играющим роль глаз для микромира. Прибор в квантовой физике - это продолжение наших органов чувств, позволяющее получить информацию, описываемую числами и булевой логикой, присущей человеческому сознанию, об объектах, полностью не описываемых ни тем, ни другим. Поэтому отношение между квантовым объектом и прибором, несмотря на то, что все они состоят из квантовых частиц, становится отношением между объектами разной природы.

Рекомендации по преподаванию темы «Принцип неопределенности»

Курс общей физики, в отличие от курса теоретической физики, не может пользоваться сложным математическим аппаратом квантовой теории. Поэтому необходимы вербальные формулировки. Эти формулировки должны адекватно передавать то, что выражено математически.

1. Следует учитывать современные эксперименты и исследования в квантовой физике. В частности, они указывают на то, что квантовые величины (А, В, С), описываемые некоторыми некоммутирующими операторами в квантовом мире, не существуют безотносительно прибора.

2. Квантовый индетерминизм есть непредсказуемость предпочтения микрочастицей того или иного значения измеряемой величины.

3. Роль наблюдателя в квантовой физике и «возникновение» численных значений физических величин при измерении есть свидетельство предложенного Н. Бором и В.А. Фоком принципа относительности к средствам измерения.

Рекомендуем обращаться к трудам В.А. Фока, а также к учебнику Г.Я. Мякишева, рекомендованному Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации.

На основе отбора материала нами разработаны элективные курсы: Элективный курс для школы (5 занятий, 5 ак. часов):

Занятие 1. Зарождение и развитие квантовой теории.

Занятие 2. Корпускулярно-волновой дуализм. Двухщелевой эксперимент.

Занятие 3. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Занятие 4. Отрицательные эксперименты.

Занятие 5. Итоговое занятие (игры, задачи, тест).

Курс по выбору для вуза (5 занятий, 10 ак. часов):

Занятие 1. Зарождение и развитие квантовой теории. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Занятие 2. Двухщелевой эксперимент. Отрицательные эксперименты.

Занятие 3. Относительность к средствам измерения. Неравенства Белла.

Занятие 4. Операторы. Коммутаторы операторов.

Занятие 5. Итоговое занятие.

При разработке данных курсов акцент был сделан на современные достижения в квантовой физике.

Сделан следующий вывод по главе: новый материал может быть изложен в качестве элективного курса.

В третьей главе «Организация и проведение педагогического эксперимента» представлены пути реализации и результаты эксперимента.

Целью педагогического эксперимента являлось доказательство того, что изложение основ квантовой механики с учетом современных экспериментальных результатов может быть представлено на уровне, необходимом для понимания учащимися старших классов и студентов первых курсов вузов.

Задачами педагогического эксперимента являлись:

1. Изучение отношения учителей и учащихся к проблеме, а также к возможности включения материала по квантовой механике, учитывающего современные достижения этой области физики, в программу изучения квантовой физики в средних и высших учебных заведениях.

2. Освоение учителями, участвующими в педагогическом эксперименте, предлагаемой методики преподавания материала, включающего фоковский принцип относительности и отрицательные эксперименты.

3. Освоение учителями работы с компьютерной разработкой.

4. Оценка эффективности предлагаемой методики.

Педагогический эксперимент проводился с 2008 по 2012 год в четыре этапа (констатирующий, поисковый, формирующий, контрольный). На разных стадиях эксперимента в нем приняли участие около 300 человек - учащиеся средних школ, гимназий, первокурсники Политехнического университета города Санкт-Петербурга, школьные учителя и аспиранты Политехнического университета.

В констатирующем эксперименте приняли участие 9 учителей физики школ, гимназий, имеющих разные квалификаций и разные педагогические стажи.

Некоторые вопросы из анкеты для учителей физики: 1. Интересуетесь ли вы развитием современной физики?

a) Да - 88%

b) Нет - 12%

(См. гистограмму 1)

100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% о,оо%1—

-О-

| О гистограмма 11

2. Считаете ли вы необходимым рассказывать учащимся о последних открытиях и событиях в области квантовой физики на уроках?

a) Да -56%

b) Нет-33%

c) Затрудняюсь ответить - 11 % (См. гистограмму 2)

60,00%-50,00% ■ 40,00%-30,00%' 20,00%' 10,00%' 0,00%-

ш

¡□Гистограмма 2 |

да нет э. <

3. По вашему мнению, педагогического материала о современной физике:

a) Достаточно - 0%

b) Не вполне достаточно - 33%

c) Мало-67% (См. гистограмму 3)

□ Гистограмма 3

Несмотря на то, что не все респонденты интересуются современными открытиями и событиями в квантовой физике, все учителя понимают необходимость включения соответствующего материала в содержание уроков физики. В настоящее время недостаточно материала о современном состоянии квантовой физики представлено в учебниках, хотя данная область физики вызывает устойчивый интерес у учащихся. Вследствие этого наиболее удачным, по мнению большинства учителей, является внедрение элективных курсов в программу по физике для учащихся 11 классов.

Формирующий эксперимент ставился два раза: со школьниками и со студентами.

Педагогический эксперимент 1. В формирующем эксперименте приняли участие 120 учащихся школы. Классы подбирались так, чтобы один класс в параллелях 11 классов был экспериментальным (60 чел.), а второй -контрольным (60 чел.). В контрольных классах обучение велось по традиционным методам обучения, в экспериментальных - по разработанной нами методике.

Рассмотрим результативность проведенной работы в экспериментальных классах. Ученикам экспериментальных и контрольных классов предлагалось пройти тест из 12 вопросов. Приведем 5 из них:

Контрольные вопросы для школьников:

1. В отличие от Бора, Эйнштейн полагал, что в квантовой физике величины (импульс и координата, энергия и время)

• существуют до измерения;

• не существуют до измерения.

2. Если школу уменьшить до размера атома, то, согласно принципу суперпозиции, ученик

• сможет одновременно быть и в столовой, и в классе;

• не сможет одновременно быть и в столовой, и в классе.

3. В квантовой механике величины могут быть квантованы, то есть

• частица в квантовой системе может иметь только определенные значения энергии, скорости, импульса;

• частица в квантовой системе может иметь любые значения энергии, скорости, импульса.

4. Отрицательные эксперименты носят такое название потому что

• имеют отрицательный результат (в физике отрицательный результат — это тоже хороший результат);

• на их основании отрицается свойство при отсутствии физического взаимодействия микрообъекта и прибора (результат эксперимента зависит от нашего «незнания»).

5. Соотношение неопределенностей позволяет

• объяснить тот факт, что электрон не падает на ядро атома;

• дает возможность оценить размеры простейшего атома (атома водорода);

• позволяет оценить минимальную возможную энергию электрона в таком атоме;

• все варианты верны.

Результаты анкетирования приведены в гистограмме 4. Видно, что учащиеся из экспериментальной группы дают больше верных ответов, чем из контрольной группы:

100% 80% 60% 40% 20% 0%

□ контрольная группа

□ экспериментальная группа

номер вопроса

Гистограмма 4

Педагогический эксперимент 2. Проводился со студентами: в контрольных группах (40 чел.), обучение велось по традиционным методам обучения, а в экспериментальных группах (40 чел.) - по разработанной нами методике. Рассмотрим результативность проведенной работы в экспериментальных классах. Студентам экспериментальных и контрольных групп предлагалось пройти тест из 25 вопросов. Приведем 5 из них:

Контрольные вопросы для студентов:

1. Как вы думаете, кто сформулировал Копенгагенскую интерпретацию?

• Бор и Эйнштейн;

• Бор и Гейзенберг;

• Эйнштейн и Гейзенберг.

2. Если вуз уменьшить до размера атома, то, согласно принципу суперпозиции, студент

• сможет одновременно быть и в столовой, и в классе;

• не сможет одновременно быть и в столовой, и в классе.

3. Как вы думаете, в чем схожесть теории относительности и квантовой физики?

• именно на этих двух теориях построено описание явлений микромира;

• в том, что в квантовой механике есть относительность к средствам измерения, а в теории относительности измерение связано с выбором системы отсчета;

• оба положения верны.

4. Справедливость квантовой механики подтвердилась

• экспериментальной проверкой неравенств Белла;

• доказательством справедливости неравенств Белла;

• доказательством нарушения неравенств Белла.

5. Объективно существующая возможность, согласно Фоку -

• характеристика потенциальных возможностей, возникающих во время акта взаимодействия микрообъекта с прибором. Переход от потенциальных возможностей к осуществившемуся значению зависит только от действий наблюдателя;

• независимая от наблюдателя характеристика потенциальных возможностей того или иного акта взаимодействия микрообъекта с прибором. Переход от потенциальных возможностей к осуществившемуся значению происходит на заключительной стадии эксперимента.

Результаты анкетирования приведены в гистограмме 5. Видно, что студенты из экспериментальной группы дают больше верных ответов, чем студенты из контрольной группы.

100%

X 80%

X

« о 60%

£ 01 р о 40%

о

с 20%

0%

□ контрольная группа

□ экспериментальная группа

номер вопроса

Гистограмма 5

Как показывают гистограммы, гипотеза исследования подтвердилась, и разработанные курсы по квантовой физике значительно повышают знания учащихся. По экспертному мнению учителей, изначально учащиеся экспериментальных и контрольных групп ничем не отличались друг от друга. Следует отметить, что все учащиеся были с интересом и удовольствием вовлечены в процесс обучения. Предложенные курсы являются эффективным способом углубить знания учащихся и развить их познавательный и профессиональный интерес.

Проведя итоги педагогического эксперимента можно прийти к следующим выводам:

1. Наблюдается повышенный интерес учителей и учащихся к проблемам квантовой физики.

2. Материала по квантовой физике, который представлен в современных учебниках по физике, и методической литературы по данным вопросам явно недостаточно.

3. У учащихся наблюдается отсутствие элементарных научных представлений по вопросам квантовой физики.

4. Включение соответствующего материала способствует формированию научного, более адекватного природе, мировоззрения учащихся и повышению интереса к физике как к предмету.

5. Анализ итогов формирующего элемента педагогического эксперимента позволяет сделать вывод о положительном влиянии разработанной методики на улучшение качества знаний учащихся по физике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная в диссертационном исследовании методическая основа включения ряда элементов квантовой физики, традиционно отсутствующих в учебниках по физике и важных для понимания сути квантовой теории, в курс общей физики средних и высших учебных заведений, позволяет более полно ознакомить учащихся с современным развитием науки и повысить интерес к изучению физики. Доказана возможность внедрения материала, включающего современные достижения в области квантовой физики и имеющего большой научный и методический потенциал, в программу обучения физике.

Подводя итоги исследования, можно сделать следующие выводы:

1. Анализ учебных пособий и программ школьного и вузовского курсов физики и работ физиков-теоретиков, касающихся преподавания квантовой физики, показал, что в процессе использования большинства учебников при изложении вопросов квантовой теории, необходимы дополнительные разработки и комментарии, позволяющие учесть современный уровень развития науки.

2. Обоснована целесообразность включения факультативных курсов по квантовой физике, содержащих материал, соответствующий развитию физики на современном этапе, в процесс обучения физике в школах и на первых курсах университетов в целях углубления знаний учащихся и развития их познавательного и профессионального интереса.

3. В педагогическом эксперименте доказана эффективность внедрения созданных элективных школьных курсов и факультативных вузовских курсов и разработанной методики изложения раздела квантовой физики в программу обучения физике в средних и высших учебных заведениях.

Личный вклад автора. Работы 4, 6 выполнены и написаны лично автором. Е.Ю. Баранова в работе 5 участвовала в обсуждении реализации предлагаемой разработки. Научный руководитель A.A. Гриб принимал участие в постановке задач, определении направлений исследования, а также в обсуждении полученных результатов. В опубликованных работах полно отражены основные положения, результаты и выводы диссертационного исследования. Текст автореферата правильно отражает основное содержание диссертации.

Основные результаты исследования изложены в следующих работах:

1. Петрова, Д.В. Удивительные примеры отличия квантовой физики от классической / A.A. Гриб, Д.В. Петрова // Известия Российского государственного педагогического университета им. А.И. Герцена. Серия Психолого-педагогические науки - 2008. - № 12(88). - С. 304308. (0,3 п.л./ 0,3 п.л.).

2. Петрова, Д.В. Об изложении принципов квантовой механики в курсе общей физики / АЛ. Гриб, Д.В. Петрова // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2010. - Т. 53 - № 8. - С. 32-37. (0,2 пл./ 0,4 п.л.).

3. Petrova, D.V. Statement of the principles of quantum mechanics in the course of general physics / A. Grib, D. Petrova // Russian Physics Journal. - January 2011. - Volume 53. - Issue 8. - P. 803-808. (0,2 пл./ 0,4 пл.).

4. Петрова, Д.В. Фоковский принцип относительности к средствам измерения в учебном курсе квантовой механики / Д.В. Петрова // Письма в Эмиссия. Оффлайн (The Emissia.Offline Letters) (электронный журнал). - 2014 (июль) . — URL: http://www.emissia.org/offline/2014/2221.htm. - ISSN 1997-8588. (0,5 пл.).

5. Петрова, Д.В. Компьютерная поддержка темы «Конечные стадии эволюции звезд» курса «Астрономия» для педагогических вузов / Е.Ю Баранова, Д.В. Петрова // Материалы 9-й Международной конференции ФССО-07. - СПб: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2007. - С. 196-198. (0,06 п.л./ 0,1 пл.).

6. Петрова, Д.В. Вариант развития познавательного интереса у студентов при изучении темы «Неэвклидова геометрия в теоретической физике» / Д.В. Петрова // Физика в школе и вузе: Сборник научных статей. Выпуск 7. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2007. - С. 33-42. (0,5 п.л.).

7. Петрова, Д.В. Вариант изложения темы «Неравенства Белла» / A.A. Гриб, Д.В. Петрова // Физика в школе и вузе. Выпуск № 10. Международный сборник научных статей. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И.Герцена, 2009. -С. 42-49. (0,3 пл./ 0,4 пл.).

8. Петрова, Д.В. Проблема изложения принципов квантовой механики и ее интерпретации в учебниках по общей физике / A.A. Гриб, Д.В. Петрова // Материалы 8-й международной научно-практической конференции. -София: "Бял ГРАДТ-БГ" ООД, Болгария. - 2012. - Т. 7. - С. 94-95. (0,06 пл./0,1 пл.).

Подписано в печать 24.10.2014 Формат 60x84 'Лб Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ 26/10 печать

Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2)