автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методические возможности использования принципа симметрии в школьном курсе физики

Автореферат диссертации по теме "Методические возможности использования принципа симметрии в школьном курсе физики"

Ой

''1 Г Г- г И ¿0.-ЛР

и 3 1Г.Н 'СШ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.В.В. КУЙБЫШЕВА

АВТОРЕФЕРАТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИНЦИПА СИММЕТРИИ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

Ливанов Сергей Валентинович

0%

САМАРА 1995

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им.В.В.КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи УДК 53 /077.7/

Ливанов Сергей Валентинович

МЕТОДИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИНЦИПА СИММЕТРИИ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

13.00.02 - методика преподавания физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учеил" кандидата педагогически

САМАРА 1995

Работа выполнена в Самарском государственном педагогическом университете имени В.В.Куйбышева.

Научный руководитель

- кандидат педагогических наук, профессор Бетев В.А.

Официальные оппоненты

- доктор педагогических наук, профессор Хижнякова Л.С.

- кандидат физико-математических наук, доцент Федосов А.И.

Ведущее учреждение

- Ульяновский государственный педагогический университет имени И.Н.Ульянова.

Защита состоится 20 октября 1995 года в 14 часов на заседании специализированного совета К 113.17.04 по присуждению ученой степени кандидата педагогических наук при Самарском педагогическом университете имени В.В.Куйбышева по адресу: 443090, г.Самара, ул.Антонова-Овсеенко, 26, ауд.201.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки университета.

Автореферат разослан

1995 года

Ученый секретарь специализированного совета кандидат педагогических наук, и.о.доцента

А.С.Ломоносов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие общества сопровождается изменением взглядов на различные научные и культурные ценности, на многие технические достижения. Эти изменения учитываются в учебных программах, влияют на структуру и содержание учебного материала.

На протяжении последних десятилетий роль принципов симметрии и сохранения в науке непрерывно возрастала, что и нашло отражение в учебниках для школ, в которых теме "Законы сохранения" отводится отдельный раздел механики.

Обсуждая проблемы построения школьного курса физики, В.В.Мултановский предлагает "в основу физического миропонимания положить некоторые общефизические понятия, величины и законы", называя при этом законы сохранения импульса, энергии и момента импульса.

Известно, что симметрия лежит в основе законов сохранения. Возможности использования идей симметрии в школьном курсе физики исследовались в работах В.А.Фабриканта, С.У.Гончаренко, И.З.Ковалева, А.Е.Аникина, А.А.Самоковой, Т.И.Болотниковой, Л.Д.Ердиной и других. На старших школьников /и одновременно на научных работников/ рассчитаны работы А.С.Компанейца по использованию принципа симметрии в физике. Пособие для учащихся по симметрии Л.В.Тарасова охватывает широкий круг вопросов и является своеобразной энциклопедией.

В последние годы в школах появились физико-математические и другие классы с углубленным изучением физики, проводятся факультативные занятия. Это дает возможность рассматривать многие вопросы механики с более общих позиций, использовать для вывода и анализа физических законов элементы высшей математики, что и реализуется в курсах Б.М.Яворского и А.А.Пинского, Д.Л.Малобродского и Л.С.Хижняковой, О.Ф.Кабардина, В.А.Орлова и А.В.Пономарева, в сборниках задач Н.И.Воробьева, В.А.Бетева, Л.П.Баканиной и других.

Г.М.Голин, рассматривая методологические вопросы изучения в школьном курсе физики принципов сохранения и симметрии, отмечает, что "знания учащихся о симметрии пространства и времени можно было бы использовать для вывода (хотя бы в ознакомительном плане) законов сохранения импульса, момента импульса (на факультативных занятиях) и энергии". Знакомство учащих5я с выводом законов

сохранения, в котором используются свойства симметрии пространства и времени, будет способствовать развитию их логического мышления, умению находить сохраняющиеся величины.

Таким образом, одна из проблем изложения современного курса физики в средней школе заключается в отсутствии вывода законов сохранения из свойств симметрии пространства и времени. Изучение возможностей такого вывода и построение соответствующей системы изложения раздела "Законы сохранения" на основе более широкого использования принципа симметрии и составило проблему данного исследования.

Цель исследования состоит в выявлении эффективных путей изложения темы "Законы сохранения" на уроках физики и в изучении возможностей формирования у учащихся умения использовать принципы симметрии и сохранения.

Объект исследования - процесс формирования представлений об общих принципах и законах физики.

Предмет исследования - методика формирования представлений о принципе симметрии, о связи законов сохранения и принципа симметрии.

Гипотеза исследования: развитие логического мышления школьников будет более эффективным в случае более широкого использования принципа симметрии при изучении законов сохранения.

Для достижения цели исследования и проверки выдвинутой гипотезы потребовалось решить следующие задачи:

- определить возможные применения принципа симметрии, значимые для

понимания и усвоения основ физики;

- выявить совокупность дидактических приемов, способствующих

оптимальному формированию у учащихся представлений, связанных с

принципами симметрии и сохранения;

- разработать методику изложения темы "Законы сохранения",

направленную на оптимальное формирование у учащихся современных

представлений о принципах сохранения и симметрии;

- предложить систему дидактических средств, рассчитанных на оптимальное

формирование у учащихся представлений о физических закономерностях, основанных на принципах сохранения и симметрии;

- проверить подготовленные методические разработки в ходе экспериментального преподавания физики в средних учебных заведениях разного профиля и в педагогическом университете.

Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования:

- анализ литературы по исследуемой проблеме;

- изучение содержания учебных планов, программ, учебников, учебных и дидактических пособий по физике;

- экспертная оценка специалистами материалов исследования;

- анкетирование учителей физики и студентов - будущих учителей физики;

- педагогический эксперимент с целью проверки эффективности разработанной методики, анализ его результатов, проверка разработанных дидактических материалов на разных уровнях преподавания физики;

- статистические методы обработки результатов эксперимента.

Методологической основой исследования являются основные положения теории познания, логики, психологии, общей дидактики, учение о методологических принципах физики.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования состоит в том, что в нем

- предложена система изложения законов сохранения в школе, включающая их доказательство на основе принципа симметрии;

- разработана методика использования принципа симметрии для анализа связи между причиной и следствием;

- предложен ряд оригинальных для школьной практики выводов и доказательств по разделу "Законы сохранения";

- разработана методика проведения занятий по теме "Законы сохранения" с учетом более широкого использования принципа симметрии.

Практическое значение исследования заключается в разработке

- системы изложения законов сохранения в школьном курсе физики на основе широкого использования принципа симметрии;

- доказательств и выводов законов сохранения в школьном курсе, основанных на использовании принципа симметрии;

- дидактических материалов и методических рекомендаций по реализации предложенной системы изложения законов сохранения.

Достоверность результатов исследования определяется их согласованностью с основными выводами и положениями теоретической физики и педагогической науки. Ожидаемый педагогический эффект согласовывался с экспериментальными результатами исследования.

Апробация материалов исследования осуществлялась в процессе экспериментальной работы в средних школах N 86 и N 135 г.Самары, в гимназиях г.Похвистнево и г.Самары, на занятиях со студентами физико-математического факультета СГПУ, на курсах повышения квалификации учителей школ и профтехучилищ г.Самары, использованием методеяегических пособий и работ, опубликованных автором.

Результаты исследования обсуждались на внутривузовских научных конференциях СГПУ/1975-1995/, Чувашского ГУ (1976-1981), на заседаниях кафедр общей и теоретической физики и методики преподавания физики СГПУ, на областных и городских курсах повышения квалификации учителей физики (19701990), на конференциях учителей физики Клявлинского, Ставропольского и Борского районов Самарской области.

На защиту выносится: система изложения законов сохранения в школе, включающая

- их доказательство на основе принципа симметрии;

- методику использования принципа симметрии для анализа связи между причиной и следствием;

- некоторые оригинальные для школьной практики выводы и доказательства по разделу "Законы сохранения".

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения.

Во введении формулируется проблема исследования, обосновывается актуальность темы исследования, определяется его объект, предмет, цели и задачи, методы и гипотеза исследования, научная новизна и практическая значимость работы, положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Роль принципа симметрии и законов сохранения в науке и проблемы совершенствования преподавания физики в школе" анализируется возрастание этой роли, изучаются соответствующие изменения в учебной литературе.

Построение большинства курсов механики восходит к Ньютону. Логические и методические достоинства такого построения рассматриваются в первом параграфе.

Во втором параграфе анализируется положение, которое возникло в физике после работ Гамеля и Нётер, установивших связь законов сохранения со свойствами симметрии пространства и времени. Это открытие не упоминается в некоторых курсах механики. Лишь дальнейшее развитие науки показало, что принципы симметрии и сохранения играют в физике исключительную роль. Благодаря работам Вейля и Вигнера, адресованных широкому кругу читателей, симметрию физических явлений чаще стали рассматривать как основу законов сохранения. Рассматривая возможности изложения современного курса физики в средней школе, В.А.Фабрикант рекомендует больше обращать внимание учащихся на следствия, вытекающие из свойств симметрии. В исследованиях И.З.Ковалева, А.Е.Аникина, Т.Н.Болотниковой, Л.Д.Ердиной и других приведены примеры использования идей симметрии в школе.

В третьем параграфе дан анализ действующих в настоящее время программ и учебников по физике для школ. В большинстве учебников присутствует раздел "Законы сохранения", объем которого составляет от 9% до 25% всего курса 9 кл. Дальнейшее увеличение этого объема привело бы к нарушению традиционной сбалансированности курса механики. Предлагаемые в исследовании изменения в изложении курса "Законы сохранения" не требуют увеличения числа уроков, обычно отводимых на эту тему.

J

В четвертом параграфе рассматриваются методологические основы включения принципа симметрии в учебный процесс по физике. Принцип симметрии, как и принцип сохранения, относят к десяти методологическим принципам физики, связанным с соответствующими методологическими категориями. Согласно исследованиям Г.М.Голина принцип симметрии в школьном курсе можно использовать в большей мере, включая вывод законов сохранения из свойств симметрии пространства и времени.

На основе анализа методических исследований по использованию принципа симметрии в школьном курсе физики можно утверждать, что появилась определенная необходимость в более широком его использовании при изучении законов сохранения в механике.

Во второй главе диссертации "Принцип симметрии и законы сохранения в школьном курсе физики" были учтены объективные тенденции развития физического образования:

- современность курса физики (при его одновременной элементарности);

- систематизация знаний на основе принципа теоретических обобщений.

Предлагается использовать принцип симметрии для формирования

представлений о причинности физических явлений. Учащиеся 9-х классов (и даже 7-х классов) уже располагают достаточным жизненным опытом и познаниями физики и геометрии, чтобы, заметив элементы симметрии в причинах некоторых явлений, рассмотреть в порожденных следствиях соответствующую симметрию. Для выяснения связи законов сохранения со свойствами пространства и времени предлагается использовать метод нарушения симметрии. Это, при некоторых предположениях, дает возможность показать учащимся, что сохранение энергии связано с однородностью времени, сохранение импульса - с однородностью пространства, а сохранение момента импульса - с изотропностью пространства.

Предлагается принцип относительности Галилея рассматривать как принцип симметрии относительно выбора инерциальной системы отсчета и показать, что этому принципу симметрии соответствует свой закон сохранения - сохранение скорости центра инерции замкнутой механической системы.

Предлагаются выводы законов сохранения, соответствующие трем ступеням обучения физике в школе. На первой ступени выводами являются обобщения опытных фактов (с использованием принципа симметрии). На второй ступени законы сохранения выводятся из законов Ньютона без использования

дифференциального исчисления. На третьей ступени используется дифференциальное исчисление и суммирование.

Для физико-математических и других классов с углубленным изучением физики, а также для факультативных занятий предлагается вывод законов сохранения из свойств симметрии пространства и времени. Вывод закона сохранения энергии как следствия однородности времени построен по аналогии с известным в механике Гамильтона. При этом функция Гамильтона заменяется знакомым учащимся выражением полной механической энергии, а канонические уравнения Гамильтона - вторым законом Ньютона (для каждого из тел замкнутой системы). Закон сохранения импульса получаем как следствие однородности пространства по аналогии с известным в аналитической механике выводом. При этом вариацию функции придется заменить ее дифференциалом с соответствующими оговорками. Наконец, сохранение момента импульса рекомендуется получать, используя аналогию между поступательным и вращательным движениями. Используя доказательство Ньютона для закона площадей, можно сделать вывод о сохранении момента импульса в изотропном пространстве.

Предлагается оригинальный для школьной практики вывод теоремы об изменении кинетической энергии системы.

Рассмотрено отличие классических законов сохранения (связанных с геометрической симметрией) от законов сохранения, основанных на динамической симметрии, которые имеют место в микромире. Предлагается в старших классах познакомить учащихся с иерархией фундаментальных взаимодействий и с возможностью их объединенного описания.

Предлагается шире использовать законы сохранения как "законы дозволения" и принцип запрета, для чего приводится ряд задач и вопросов, которые удобно использовать как контрольные вопросы.

Рассмотренные во второй главе (и перечисленные здесь) предложения вместе с традиционно излагаемым в школе материалом составили основу системы изложения раздела "Законы сохранения" с более широким использованием принципа симметрии.

В третьей главе "Подготовка учителей к изложению темы "Законы сохранения" дается анализ подготовки студентов физико-математического факультета педагогического университета по этой теме на занятиях по общей физике, по теоретической физике и по методике преподавания физики. Занятия по каждой из дисциплин представляют собой в определенной мере замкнутый

(завершенный) курс. Однако, всегда существует связь между этими курсами, существует определенное разделение вопросов, общих для этих курсов.

Так на занятиях по общей физике студенты знакомятся с законами сохранения импульса, энергии и момента импульса, с их экспериментальным подтверждением и должны уметь применять эти законы для анализа различных явлений и решения задач. Здесь законы сохранения используются как эффективный метод решения задач.

Связь законов сохранений со свойствами симметрии пространства и времени наиболее полно исследуется на занятиях по классической (теоретической) механике. Здесь законы сохранения получают дважды: как следствие основных теорем динамики системы (выводимых из законов Ньютона) и как следствие свойств симметрии пространства и времени и уравнений движения (уравнений Лагранжа). Рассматриваются различные варианты выводов законов сохранения, обоснование многих положений и предположений, которые могут оказаться полезными будущим учителям физики. Студенты должны быть знакомы с понятиями: инвариантность, симметрия, сохранение, циклические координаты, обобщенные импульсы, знать теорему Нётер и ее следствия. Студенты также должны уметь находить сохраняющиеся величины при движении в полях, обладающих симметрией (стационарное поле, поле созданное точкой, прямой и т.п.).

Законы сохранения в микромире, которые студенты изучают на занятиях по квантовой механике, здесь рассмотрены лишь для сравнения. Занятия по физике элементарных частиц дают богатый материал по истории законов сохранения и наиболее точной их экспериментальной проверке ( Р - распад, открытие нейтрино, эффект Мёссбауэра).

На занятиях по методике преподавания физики определяется готовность студентов проводить уроки по данной теме. Здесь важно и "что" и "как". Множество вариантов дает возможность будущим учителям физики наиболее полно проявить свои творческие способности.

В четвертой главе описано проведение педагогического эксперимента по проверке эффективности системы изложения законов сохранения в школе на основе принципа симметрии и приводятся результаты этого эксперимента.

Сравнение эффективности традиционной и экспериментальной методик проводилось двумя способами: с помощью критерия знаков и посредством критерия X2 ■

Критерий знаков использовался для сравнения результатов проверочных работ, проведенных до и после изучения темы "Законы сохранения " в экспериментальных и контрольных классах школ NN 135,86. На уровне значимости 0,05 была отвергнута нулевая гипотеза (об одинаковом уровне подготовки) и подтверждена гипотеза об эффективности экспериментальной методики.

Экспериментальная методика сравнивалась с традиционной также с помощью критерия у} . В эксперименте принимали участие ученики школ NN 135,86 г.Самары и гимназий г.Самары и г.Похвистнево. На уровне значимости 0,05 была подтверждена гипотеза об эффективности экспериментальной гипотезы.

Так как результат эксперимента сильно зависит от содержания проверочных работ, то в эксперименте использовались задачи из сборника "Контрольные работы по физике в 7 - 11 классах" под редакцией Э.Е.Эвенчик, С.Я.Шамаш, который обычно используют в школах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате проведенного исследования показано, что принцип симметрии можно более эффективно использовать в школьном курсе физики при изложении темы "Законы сохранения":

- для формирования представлений о причинности физических явлений;

- для установления связи законов сохранения со свойствами пространства и времени (путем использования метода нарушения симметрии);

- для вывода в физико-математических и других классах с углубленным изучением физики и на факультативных курсах законов сохранения импульса, энергии и момента импульса из свойств симметрии пространства и времени (эти выводы приводятся в исследовании).

В исследовании предлагается система изложения раздела "Законы сохранения", объединяющая результаты исследования и традиционные методы. В ходе педагогического эксперимента подтверждена эффективность методики предложенной системы.

СОДЕРЖАНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ АВТОРА

1. Законы сохранения. Методическая разработка для студентов физико-математического факультета. - Куйбышев: КГПИ, 1979.-24с.

2. Канонические уравнения. Методическая разработка для студентов физико-математического факультета.-Куйбышев: КГПИ, 1981.-26 с.

3. Задачи по физике. 10 кл. Дидактическое пособие для школ с углубленным изучением физики.-Самара: СГПИ, 1994.-82 с. (В соавторстве с Бетевым В.А. и Шуниным И.А.).

4. Методическое пособие по решению физических задач. 10 кл. Дидактическое пособие для школ с углубленным изучением физики.-Самара: СГПИ, 1994,- 86 с. (В соавторстве с Бетевым В.А. и Шуниным И.А.).

5. Методические аспекты решения задач по физике. 10 кл. Дидактическое пособие для школ с углубленным изучением физики.-Самара: СГПИ, 1994. - 48 с. (В соавторстве с Бетевым В.А. и Шуниным И.А.).

6. Задания к физическому эксперименту учащихся. Юкп. Дидактическое пособие для школ с углубленным изучением физики.-Самара: СГПИ, 1994.- 30 с. (В соавторстве с Бетевым В.А. и Шуниным И.А.).

Подписано в печать 05.07.95.Заказ. 623. Тираж ЮОэкз. Бесплатно.

Издательство "Медиа-Маркет"