Методика использования новых информационных технологий в процессе преподавания квантовой физики в педагогических вузах

Демин, Евгений Вадимович

Темы диссертаций по педагогике » Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методика использования новых информационных технологий в процессе преподавания квантовой физики в педагогических вузах

Автореферат

Автор научной работы: Демин, Евгений Вадимович
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Москва
Год защиты: 2004
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Методика использования новых информационных технологий в процессе преподавания квантовой физики в педагогических вузах"

На правах рукописи

Демин Евгений Вадимович

МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ ПРЕПОДАВАНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ В ПЕДАГОГИЧЕСКИХВУЗАХ

(нефизические специальности)

Специальность 13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре теории и методики обучения физике физического факультета Московского педагогического государственного университета.

Научный руководитель:

кандидат педагогических наук, профессор Королева Людмила Васильевна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Банная Вера Федоровна

кандидат педагогических наук Ездов Александр Анатольевич

Ведущая организация: Ярославский государственный педагогический университет им. К.Д. Ушинского

Защита состоится « 2(Р » СуЗ2004 г. в „¿¿"'часов на

заседании Диссертационного совета Д.212.154.05 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу: 119435, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан

«/в2» /&<Я$?<Р(1Ш

года.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Шаронова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Согласно Государственным образовательным стандартам высшего педагогического образования (ГОС ВПО) дисциплина «Физика» входит в федеральный компонент блока общих математических и естественнонаучных дисциплин для таких нефизических специальностей, как учитель информатики, математики, химии, биологии и географии. Эти специальности можно назвать естественно-математическими. В процессе преподавания физики студентам необходимо сформировать фундаментальные знания по основным разделам современной физики, отразить структуру данной области науки, раскрыть ее экспериментальные основы, создать базу, необходимую для успешного усвоения специальных дисциплин.

Главной отличительной чертой современной физики является исследование связи микроскопической структуры вещества с его макроскопическими характеристиками. Основой для понимания процессов, протекающих в микромире, стала квантовая теория. Большинство открытий в современной физике были предсказаны и объяснены на основе квантовой теории. Поэтому формирование у студентов квантовых представлений играет важную роль в процессе преподавания физики. Кроме того, при изучении основ квантовой теории создается база для изложения учебного материала последующих разделов — статистической физики (поведение квантового идеального газа), физики твердого тела (квантовая природа электрических, магнитных и оптических свойств твердых тел), ядерной физики.

Опыт преподавания дисциплины «Физика» в педвузах студентам естественно-математических специальностей показывает, что изучение и восприятие основ квантовой физики сопряжено с рядом трудностей:

1) по содержанию, методам изучения квантовая механика должна изучаться в курсе теоретической физики, но в ГОС ВПО для рассматриваемых педагогических специальностей такого курса нет;

2) квантовая теория оперирует с множеством абстрактных понятий и математических моделей, при ее изложении используется сложный математический аппарат, что объективно затрудняет восприятие материала студентами;

3) главными факторами, затрудняющими восприятие квантовых идей, являются отсутствие наглядности и невозможность во многих случаях провести учебный эксперимент (демонстрационный и лабораторный) при изучении квантовой физики.

Все вышесказанное приводит к тому, что у студентов формируются недостаточно прочные и глубокие знания основ квантовой теории. Возможны несколько путей решения этих проблем.

1. Совершенствование методики изучения теоретической базы данного курса - отбор учебного материала, его переструктурирование и отбор содержания лекционного курса.

2. Совершенствование методики занятий по решению задач.

1ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ I сем циветявт £кяракт|ческих

С-Петгрву О» ЮО,

ш®

3. Совершенствование экспериментальной поддержки курса с использованием новых информационных технологий (НИТ).

Мы избрали для нашего исследования третий путь. Это позволит решить главную проблему данного курса - улучшит наглядность излагаемого материала. Введение новых компьютерных экспериментов (демонстрационных и лабораторных) повлечет за собой изменение структуры и содержания лекционного курса и семинарских занятий. В квантовой физике постановка реальных физических экспериментов в учебном процессе затруднена. Однако развитие средств НИТ открывают новые возможности решения этой проблемы.

Сегодня компьютер стал неотъемлемой частью современной жизни; он вошел во все сферы деятельности человека, в том числе и в образование. Здесь он получил широкое распространение, являясь не только инструментом, но и средством получения новых знаний и умений. Внедрение компьютера в учебный процесс расширяет возможности получения знаний об объектах изучения, а также дает возможность проведения самостоятельной, исследовательской работы на качественно новом уровне.

Анализируя учебно-методическую литературу можно выделить следующие тенденции: стало уделяться большое внимание вопросу внедрения НИТ в учебный процесс (В.А. Извозчиков, В.В. Лаптев, А.С. Кондратьев, А.В. Смирнов, С.В. Панюкова, И.В. Роберт и др.), для курса физики средней школы разрабатываются ППС и методики их использования (Е.А. Манина, Н.Б. Розова, А.В. Кудрявцев, И.М. Нуркаева, О.Б. Медведева, О.Е. Макарова, Н.Н. Гомули-на и др.), разрабатываются методики использования НИТ в некоторых курсах физики высшей школы, ориентированные на студентов технических вузов (А.А. Лактионов, Л.С. Коновалец, Л.В. Миронова, Г.А. Шмелева, С.М. Куцен-ко, Е.Н. Черкасская, Ю.В. Федорова и др.).

К сожалению, эти тенденции практически не затрагивают вопросы изучения квантовой физики по следующим причинам:

• недостаточно количество учебных компьютерных программ, отражающих вопросы квантовой физики;

• практически отсутствуют методики использования НИТ при изучении квантовой физики студентами нефизических (естественно-математических) специальностей педагогических вузов.

Таким образом, налицо противоречие между значением знаний по квантовой физике для решения задачи обеспечения фундаментальности физического образования студентов естественно-математических специальностей и недостаточной теоретической и практической разработкой экспериментальной поддержки изучения квантовой физики, в том числе с использованием НИТ, при обучении студентов естественно-математических специальностей.

Это противоречие определило актуальность проведенного исследования. Объектом исследования является процесс изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Предметом исследования является методика использования НИТ в процессе изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Цель исследования заключается в теоретическом обосновании и разработке методики использования НИТ в процессе изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Гипотеза исследования заключается в том, что внедрение в учебный процесс компьютерного демонстрационного эксперимента, компьютерных модельных лабораторных работ будет способствовать повышению качества подготовки студентов по квантовой физике и развитию мотивации в ее изучении. Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:

• изучить состояние проблемы преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов;

• провести анализ научно-методической литературы, посвященной вопросам использования новых информационных технологий в процессе преподавания физики студентам естественно-математических специально -стей педагогических вузов;

• теоретически обосновать целесообразность и возможность включения в учебный процесс компьютерного демонстрационного эксперимента и компьютерных лабораторных работ по квантовой физике;

• провести анализ программно-педагогических средств (ППС) по квантовой физике и сформулировать требования к ним;

• создать компьютерные демонстрационные эксперименты и лабораторный практикум по квантовой физике с использованием НИТ;

• разработать методику проведения компьютерных модельных демонстраций, а также организации и проведения лабораторного практикума с использованием НИТ в процессе преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов,

• экспериментально проверить гипотезу о влиянии разработанной методики на повышение качества подготовки и учебную мотивацию студентов. Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования и видов деятельности:

• анализ литературы по исследуемой проблеме;

• научно-методический анализ содержания учебных программ и учебных пособий по квантовой физике;

• изучение и анализ передового педагогического опыта;

• моделирование учебных ситуаций и проектирование учебного процесса;

• моделирование методики использования компьютерных моделей в лабораторном практикуме и демонстрационном эксперименте;

• педагогический эксперимент во всех его формах с целью проверки гипотезы исследования и статистическая обработка данных педагогического эксперимента.

Научная новизна исследования состоит в том, что

• отобрано содержание учебного материала по квантовой физике, для изучения которого целесообразно использование компьютерного модельного эксперимента;

• на основе существующих ППС создан комплект компьютерных модельных демонстраций по квантовой физике, имитирующих натурный эксперимент на макроуровне, микроуровне и иллюстрирующих результаты расчетов;

• определены возможности сочетания компьютерного модельного эксперимента и натурного эксперимента по квантовой физике, а именно показано, что это сочетание наиболее целесообразно при изучении таких тем, как квантовая оптика, спектральные закономерности, атом по Бору, эффект Зеемана; в учебном процессе педвуза при изучении волновых свойств микрочастиц, строения многоэлектронных атомов целесообразно использование только компьютерного модельного эксперимента;

• на основе существующих ППС разработаны компьютерные модельные лабораторные работы, которые могут проводиться для расширения и проверки результатов натурного эксперимента, для замещения реального эксперимента, для реализации математического моделирования как научного метода исследования.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что в нем получили дальнейшее развитие теоретические основы методики использования НИТ при обучении физике (в частности, квантовой физики) применительно к учебному процессу по физике в высшей школе. Обоснована необходимость и определено место использования компьютерного модельного эксперимента в учебном процессе при изучении квантовой физики, а также пути его сочетания с натурным экспериментом.

Практическая значимость исследования заключается в разработке:

• комплекта компьютерного демонстрационного эксперимента по квантовой физике («Законы фотоэффекта», «Эффект Комптона», «Волновые свойства частиц», «Постулаты Бора», «Квантование электронных орбит», «Радиальные и угловые функции атома водорода», «Форма электронного облака», «Застройка электронных оболочек», «Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле»);

• компьютерных модельных лабораторных работ («Изучение дифракции электронов», «Исследование волновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности»);

• учебно-методических рекомендации по применению компьютерных демонстраций и лабораторных работ по квантовой физике в учебном процессе на естественно-математических факультетах педагогических вузов.

Внедрение результатов исследования в практику преподавания квантовой физики способствует более успешному формированию у студентов квантовых представлений и повышению качества их подготовки по физике.

Основные результаты исследования внедрены в практику работы кафедры физики для естественных факультетов Московского педагогического государственного университета. На защиту выносятся:

1. Обоснование особой роли использования компьютерных моделей при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов, которая определяется спецификой учебного материала (абстрактностью, противоречивым характером, невозможностью создания адекватных наглядных образов квантовых объектов и явлений) и трудностями в проведении реального эксперимента (кратковременностью протекания физических явлений на микроуровне, невозможностью управления условиями проведения эксперимента, технической сложностью постановки эксперимента, требованиями техники безопасности).

2. Комплект компьютерных модельных демонстраций («Законы фотоэффекта», «Эффект Комптона», «Волновые свойства частиц», «Постулаты Бора», «Квантование электронных орбит», «Радиальные и угловые функции атома водорода», «Форма электронного облака», «Застройка электронных оболочек», «Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле»), разработанный на базе отобранных ППС.

3. Разработанные компьютерные модельные лабораторные работы по квантовой физике («Изучение дифракции электронов», «Исследование волновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности») и методика их использования в лабораторном практикуме на естественно-математических факультетах педагогических вузов, включающая, способы взаимодействия преподавателя и студентов, описания лабораторных работ, откорректированные программно-педагогические средства.

4. Основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась в процессе экспериментального преподавания квантовой физики на естественно-математических факультетах Московского педагогического государственного университета с 2002-2004 гг. Основные положения исследования обсуждались на:

• Научно-методической конференции МПГУ, Москва, 2003 г.

• Седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования», Санкт-Петербург, 2003 г.

• Научно-методической сессии МПГУ, Москва, 2004 г.

• Научно-методических семинарах кафедры физики для естественных факультетов и кафедры теории и методики обучения физике МПГУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 191 страницу, из них 137 страниц основного текста, В тексте диссертации 23 рисунка, 10 таблиц, 3 приложения. В списке литературы 183 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы исследования; определены проблема исследования, объект и предмет, цель и задачи; сформулирована гипотеза исследования; раскрыты научная новизна работы, ее теоретическая и практическая значимость; приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние проблемы использования новых информационных технологий при изучении квантовой физики в педвузе» рассматривается роль квантовых представлений в решении задач фундаментального естественнонаучного образования; представлен обзор научно-методической литературы по теме исследования, целью которого являлось определение места НИТ при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Подробно рассматривается место квантовых представлений в системе фундаментальной подготовки по физике студентов естественно-математических специальностей. Основы квантовой физики являются одним из наиболее сложных разделов курса физики, как с точки зрения преподавания, так и восприятия учебного материала. В настоящее время квантовая механика определяет развитие многих современных разделов физики. Отсюда следует, что

• основы квантовой физики должны быть изложены в объеме, необходимом для понимания структуры атомов и молекул, а также свойств твердых тел,

• изучение основ квантовой механики должно предшествовать рассмотрению физики атомов, молекул и всех явлений, механизм которых объясняется микропроцессами, т.е. изложению ядерной физики, молекулярной физики и физики твердого тела.

При отборе материала по квантовой физике для естественно-математических специальностей педвузов основное внимание было уделено идейной стороне вопроса. Необходимо было включить задачи, из решения или качественного рассмотрения которых вытекают основные положения квантовой теории. Многие физики и педагоги ищут пути более рационального расположения учебного материала в курсе, при котором квантовые представления будут применяться длительное время при изучении большого круга явлений, а, следовательно, усваиваться и закрепляться.

В физике большое значение имеет экспериментальный метод исследования, так как именно физический эксперимент подтверждает или опровергает истинность той или иной физической теории. Поэтому изложение любой физической теории должно сопровождаться анализом опытов и экспериментов, которые привели к созданию данной теории и подтверждают ее основные поло-

жения. Рассмотрение фундаментальных опытов, которые привели к созданию квантовой теории, является обязательным. Большинство же фундаментальных экспериментов невозможно продемонстрировать студентам из-за отсутствия требуемого оборудования, несоответствия требований безопасности при проведении опытов и ряда других причин. Поэтому изложение основных вопросов квантовой физики в педвузах невыгодно отличается от других разделов скудностью демонстраций и лабораторных работ. Можно выделить следующие трудности при усвоении студентами квантовой физики:

• минимальная наглядность;

• «несоответствие» теоретических концепций и выводов «соображениям здравого смысла»;

• двойственный характер свойств квантовомеханических объектов и явлений;

• абстрактный характер описания микроскопических объектов;

• сложность и непривычность математического аппарата теории;

• отсутствие возможностей экспериментальной демонстрации квантовоме-ханических эффектов.

Одной из особенностей изучения квантовой физики является то, что исследуемые физические процессы и явления не воздействуют на наши органы чувств. Физические модели квантовомеханических явлений описываются сложным математическим аппаратом, при этом сами модели носят абстрактный характер и не имеют аналогов в макромире. При изучении квантовой физики студенту нужно решительно отказаться от «наглядных» классических образов.

Другой особенностью является то, что при изучении микромира принципиально нельзя описать сущность явления, не упоминая о влиянии прибора. Прибор входит в само определение явления. В квантовой физике студенты работают с математической моделью физической реальности. Нельзя «наглядно» представить физику микроявлений, однако возможности современной вычислительной техники позволяют графически интерпретировать результаты решения уравнений математической физики. Это приближает вычислительный эксперимент к натурному.

Метод математического моделирования, и имитационного в частности, является порой единственным на сегодняшний день методом изучения недоступных непосредственно явлений микромира, а реализация этого метода возможна только с использованием компьютера.

В ходе исследования был проведен констатирующий эксперимент с целью выявления отношения преподавателей и студентов педвузов к проблеме применения НИТ при изучении квантовой физики. Констатирующий эксперимент показал, что:

• отдается предпочтение теоретическому методу изучения учебного материала без должной опоры на экспериментальные методы исследования;

• студенты, имеющие недостаточные знания по данной теме, предпочитают действовать репродуктивно, то есть студенты малоосмысленно воспроиз-

водят объяснения, сравнения и рассуждения, содержащиеся в лекциях и учебных пособиях;

• результаты контрольных мероприятий (контрольных работ, коллоквиумов, экзаменов) по квантовой физике несколько ниже, чем по другим разделам;

• преподаватели готовы использовать НИТ на своих занятиях при условии, что они будут обеспечены методикой организации таких занятий.

На основе обзора научно-методической литературы рассмотрены возможности использования НИТ в учебном процессе школы и вуза.

Анализ литературы показал, что проблема использования НИТ при изучении квантовой физики является актуальной на сегодняшний день. Практически отсутствуют методики использования НИТ в процессе преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов, хотя этот курс имеет свою специфику. Не рассмотрен вопрос эффективного сочетания компьютерных программ и натурного эксперимента в курсе квантовой физики.

Был проведен анализ ППС, используемых в обучении физике:

• «Открытая физика»,

• моделирующая компьютерная среда «Виртуальная физика», а «1С: Репетитор. Физика»,

а «Открытая химия», а «Физика микромира на компьютере», а «Виртуальный практикум по квантовой физике»,

• «Виртуальная лаборатория физики».

Проанализировав эти компьютерные программы, мы выбрали две наиболее подходящие для проведения демонстрационных и лабораторных экспериментов по квантовой физике: «Открытая физика 1.0 часть II» и «Физика микромира на компьютере». Эти программы обладают следующими преимуществами: невысокие технические требования к компьютеру, большое разнообразие моделей, высокая степень интерактивности моделей, простой и удобный интерфейс. Была проведена корректировка программы «Физика микромира на компьютере» с точки зрения ее научно-методической грамотности.

Проведенный анализ ППС по квантовой физике показал, что они могут применяться в форме лекционных демонстраций и компьютерных лабораторных работ.

На основе научно-методического анализа изучения квантовой физики в педвузах, результатов констатирующего эксперимента, проведенного анализа ППС по квантовой физике сделаны выводы об актуальности разработки методики применения учебных компьютерных моделей при формировании квантовых представлений студентов естественно-математических специальностей педвузов.

Вторая глава «Методическое обеспечение компьютерного эксперимента по квантовой физике» посвящена обсуждению возможностей исполь-

зования компьютерных моделирующих программ при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

На основе анализа научной литературы были отобраны требования, которым должна удовлетворять компьютерная моделирующая программа. Это требования универсальности, адекватности, точности, экономичности, доступности. Компьютерная программа, используемая в эксперименте должна, кроме того удовлетворять следующим требованиям: научность содержания, выразительность и эмоциональность, видимость и наглядность, убедительность, надежность и воспроизводимость, адаптивность, систематичность и последовательность.

В ходе исследования разработаны компьютерные модельные демонстрации следующих типов:

1) имитирующие натурный эксперимент на макроуровне;

2) моделирующие натурный эксперимент на микроуровне;

3) иллюстрирующие результаты расчетов.

Компьютерные модели, имитирующие натурный эксперимент на макроуровне, воспроизводят экспериментальную установку, ход действий и результаты натурного эксперимента. Такие демонстрации не должны подменять сам натурный эксперимент. Это следует из того неоспоримого факта, что результаты натурного эксперимента отражают действительность, а результаты компьютерных экспериментов задаются создателями программы и не позволяют получить новую информацию об окружающем мире. Применение компьютерных моделей целесообразно в двух случаях:

1) натурный эксперимент недостаточен для демонстрации какого-либо физического явления;

2) натурный эксперимент невозможен.

В первом случае компьютерная модель дополняет натурный эксперимент. Например, преподаватель вводит понятие о внешнем фотоэффекте с опорой на натурный эксперимент. Затем рассказывает студентам о количественных закономерностях явления, сопровождая этот фрагмент лекции компьютерной моделью.

Во втором случае важно, чтобы связь с натурным экспериментом-прообразом была осознана студентами. С этой целью следует включать сведения из истории физики, приводить результаты натурных экспериментов.

Компьютерные модели, моделирующие натурный эксперимент на микроуровне, воспроизводят мысленную модель микропроцессов, предложенную учеными для объяснения того или иного физического явления. В данном случае модель расшифровывает натурный эксперимент, переводит его на новый язык — язык микромира, дает опору для объяснения результатов натурного эксперимента. Поэтому при любых условиях целесообразно органичное сочетание натурного эксперимента и компьютерной модели, а в тех случаях, когда натурный эксперимент невозможен - сочетание информации о нем (и его результатах) с рассматриваемой компьютерной моделью.

Компьютерные модели, иллюстрирующие результаты расчетов, воспроизводят результаты математических расчетов в наглядной графической форме, позволяющей провести их объяснение и анализ. Например, модель иллюстрирует решения уравнения Шредингера для водородоподобных систем.

В табл. 1 приведены основные темы квантовой физики с указанием соответствующих натурных экспериментов и компьютерных моделей («Открытая физика 1.0 часть II» «Физика микромира на компьютере»). На основе этих компьютерных моделей нами были разработаны соответствующие лекционные демонстрации и методика их проведения.

Таблица 1

Основныетемы квантовой физики и ихэкспериментальная поддержка

Тема Натурный эксперимент Компьютерная модель

Квантовые свойства излучения. Опыт с кубиком Лесли. Опыт с образцами в муфельной печи. Черное тело. -

Тепловое излучение и его характеристики. Гипотеза Планка. Формула Планка для спектральной плотности излучения. Законы излучения абсолютно черного тела.

Корпускулярно-волновая двойственность свойств света. Фотоэлектрический эффект. Законы и квантовая теория внешнего фотоэффекта. Эффект Компто-на. Фотоэффект. Опыт Столетова. Фотоэффект. Эффект Ком-птона.

Элементы квантовоймеханики. - Волновые свойства частиц.

Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц вещества. Гипотеза де Бройля. Вероятностный смысл волн де Бройля.

Основные постулаты квантовой механики. Волновая функция и её свойства. Временное и стационарное уравнения Шредингера. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. - Волновые свойства частиц.

Простейшие одномерные задачи квантовой механики. Свободная частица. Частица в потенциальной яме. Туннельный эффект. Линейный гармонический осциллятор. - Впроцессе разработки

Современныепредставления о строении атомов и - Постулаты Бора. Квантование электронных орбит. Радиальные и угловые функции атома водорода. Форма электронного облака.

молекул. Атомные спектры, способы их получения. Дискретность атомных спектров. Идеи Бора в создании теории атома. Атом водорода по квантовомеханической теории, его основное состояние. Квантование энергии и момента импульса электрона в атоме. Пространственное квантование. Распределение электронной плотности в атоме водорода в основном состоянии.

Тема Натурный эксперимент Компьютерная модель

Многоэлектронные атомы. Квантовые числа. Спин электрона. Принцип тождественности микрочастиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Современные представления о строении многоэлектронных атомов. - Застройка электронных оболочек.

Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана. - Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле.

Использование указанного в табл. 1 компьютерного модельного эксперимента в лекционных демонстрациях по квантовой физике позволяет охватить все наиболее важные темы и тем самым существенно усиливает наглядность излагаемого материала.

В целом ряде исследований показано, что компьютерный модельный эксперимент может стать основой проведения так называемых виртуальных лабораторных работ и что в современном лабораторном практикуме педвуза целесообразно сочетание лабораторных работ трех видов:

1) лабораторные работы на реальных экспериментальных установках (натурный эксперимент);

2) компьютерные модельные лабораторные работы;

3) комбинированные лабораторные работы, включающие натурный и компьютерный модельный эксперимент.

Первые два вида лабораторных работ имеют свои достоинства и недостатки. Натурный эксперимент, несомненно, предпочтителен там, где он позволяет изучить явление и его закономерности, например, изучение закономерностей энергетического спектра атома водорода. Исследование же квантовой модели атома водорода требует привлечения компьютерного моделирования. Разумное объединение этих методов в одной лабораторной работе (комбинированная работа) позволяет глубже раскрыть суть явлений и закономерностей в простейшей атомной системе.

Рассмотрим несколько аспектов использования компьютерных моделей в лабораторном практикуме.

Компьютерные модели могут использоваться для проверкирезультатов натурного эксперимента. Например, в дополнение к работе по исследованию фотоэффекта можно использовать компьютерную модель, с помощью которой можно провести те же исследования. Так как лабораторные работы обычно выполняются двумя студентами, то один из них выполняет работу на натурной установке, а другой на компьютерной модели. В дальнейшем при защите лабораторной работы можно сравнить и обсудить полученные результаты.

Компьютерные модели могут использоваться длярасширения натурного эксперимента. Натурные лабораторные работы, посвященные изучению тонкой

структуры спектров излучения (цинк, ртуть, натрий), можно дополнить компьютерной моделью изучения эффекта Зеемана (модель «Расщепление линий в поперечном магнитном поле» из пакета «Физика микромира на компьютере»), так как натурная лабораторная установка по эффекту Зеемана содержит ряд сложных и дорогостоящих приборов. Например, после того как будет измерен желтый дублет натрия, студенты продолжают его исследование на компьютерной модели. Такое сочетание натурного и компьютерного экспериментов идеально дополняет друг друга.

Компьютерные модели позволяют расширить возможности исследования на основе математического моделирования. Например, при изучении атома водорода можно ввести дополнительные вычислительные задания, посвященные исследованию волновых функций. Такие задания позволят «рассмотреть» атом водорода не только по боровской теории, но и с точки зрения квантовой механики.

Компьютерные модели могут использоваться для замещения реальных установок. Лабораторную работу по исследованию дифракции электронов целесообразно реализовать на базе компьютерной модели. Так, модель «Дифракция электрона на щели» из пакета «Физика микромира на компьютере» позволит заменить прибор для наблюдения дифракции электронов высоких энергий -электронограф, который практически невозможно найти на рынке лабораторного оборудования.

Введение дополнительных лабораторных работ, реализованных с помощью компьютерных моделей, позволяет значительно расширить возможности компоновки лабораторных работ в практикуме, а также увеличивает объем рассматриваемой информации (табл. 2).

Таблица 2

Основные темы квантовой физ ики в лаборато оном практикуме

Тема Натурный эксперимент Компьютерный эксперимент Комбинированный эксперимент

Квантовые свойства излучения. Тепловое излучение и его характеристики. Гипотеза Планка. Формула Планка для спектральной плотности излучения. Законы излучения абсолютно черного тела. + - -

Корпускулярно-волновая двойственность свойств света. Фотоэлектрический эффект. Законы и квантовая теория внешнего фотоэффекта. Эффект Комптона. + + +

Элементы квантовой механики. Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц вещества. Гипотеза де Бройля. Вероятностный смысл волн де Бройля. - + -

Тема Натурный эксперимент Компьютерный эксперимент Комбинированный эксперимент

Основные постулаты квантовой механики. Волновая функция и её свойства. Временное и стационарное уравнения Шрединге-ра. Соотношения неопределенностей Гей-зенберга. - - -

Современные представления о строении + + +

атомов и молекул. Атомные спектры, способы их получения. Дискретность атомных спектров. Идеи Бора в создании теории атома. Атом водорода по квантовомеханической теории, его основное состояние. Квантование энергии и момента импульса электрона в атоме. Пространственное квантование. Распределение электронной плотности в атоме водорода в основном состоянии.

Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана. - + +

Предлагается следующий состав модернизированного в ходе диссертационного исследования лабораторного практикума по квантовой физике для естественно-математических специальностей педагогических вузов. (Каждая из работ рассчитана на два академических часа. Жирным шрифтом выделены новые лабораторные работы разработанные в ходе диссертационного исследования.)

1. Экспериментальное определение постоянной Стефана-Болъцмана на основе законов теплового излучения (натурный эксперимент).

2. Изучение внешнего фотоэффекта и определение постоянной Планка (натурный или (и) компьютерный эксперимент).

3. Исследование эффекта Комптона и его закономерностей (компьютерный эксперимент).

Эти работы посвящены квантовым свойствам излучения и охватывают следующие темы: тепловое излучение, фотоэффект и эффект Комптона. Тем

самым после выполнения этих работ у студентов складывались понятия о кор-пускулярно-волновых свойствах излучения (работы, посвященные волновым свойствам излучения, проводились перед этим и были посвящены интерференции, дифракции и поляризации света). В дополнение к работе №2 может использоваться компьютерная модель «Фотоэффект» из мультимедийного курса «Открытая физика часть II». Данная модель позволяет исследовать явление фотоэффекта, а также рассчитать постоянную Планка. Это позволит сравнить результаты, полученные в натурном эксперименте, с результатами, полученными на компьютерной модели. Работа №3 может выполняться на основе компьютерной модели «Эффект Комптона» из мультимедийного курса «Открытая физика часть II».

4. Изучение дифракции электронов (компьютерный эксперимент).

Эта работа позволяет рассмотреть такие понятия как гипотеза де Бройля, корпускулярно-волновой дуализм свойств материи, связь гипотезы де Бройля и теории Бора, дифракция на одной щели. Работа основана на программе «Волновые свойства частиц» из пакета «Физика микромира на компьютере». Наиболее оптимальным является сочетание этой работы с работами №1,2 или 3, так как позволит обсудить понятие корпускулярно-волновых свойств материи.

5. Изучение линейчатых спектров испускания с помощью монохроматора (натурный эксперимент или компьютерный эксперимент),

В работе закрепляются такие понятия как спектры и спектральные серии, строение атома по Бору.

6. Изучение волновой функции основного состояния атома водорода на основе его линейчатого спектра (натурный эксперимент).

Работа частично повторяет работу №5, так как тоже затрагивает спектры и атом по Бору, но дополняется теорией Шредингера (квантово-механический смысл боровских орбит, радиальное распределение и плотность вероятности для основного состояния). В результате эти работы охватывали три темы: основы квантовой теории, теория Бора и теория Шредингера.

7. Исследование волновых функций атома водорода (компьютерный эксперимент). 2 варианта.

В работе используется программа «Квантовое описание атома водорода» из пакета «Физика микромира на компьютере». Созданы описания, учитывающие профиль подготовки специалистов (вариант для математического факультета содержит большее количество расчетов, чем вариант для биолого-химических факультетов). В результате работа раскрывает такие понятия, как квантовые числа, волновая функция, радиальное и угловое распределение плотности вероятности в атоме водорода, электронное облако, квантово-механический смысл орбит. Работа затрагивает некоторые моменты физической химии важные для студентов-химиков. Эта работа может быть включена в лабораторный практикум как самостоятельно, так и в сочетании с работой №6, рассчитанная на три академических часа.

На основе работ 5, 6 и 7 планируется разработать модульные лабораторные работы, которые позволят учитывать индивидуальные особенности студентов.

8. Эффект Зеемана и его закономерности (компьютерный эксперимент).

Работа раскрывает одну из самых сложных и важных тем курса «Квантовая физика» - эффект Зеемана. На основе этой работы студенты знакомятся с аномальным и нормальным (эффект Пашена-Бака) эффектом Зеемана. Важность эффекта состоит в том, что на его основе студенты закрепляют такие понятия как орбитальный, спиновый и полный моменты (механические и магнитные) атома, спин-орбитальное взаимодействие, векторная модель атома. Работа дает полное представление о современной модели атома. Она основана на программе «Атом в магнитном поле» из пакета «Физика микромира на компьютере». Можно дополнить работу заданием по определению длины волны желтого дублета натрия на монохроматоре.

В дальнейшем планируется ввести еще несколько компьютерных модельных лабораторных работ, посвященных исследованию поведения микрочастиц - поведения электрона в потенциальной яме и туннельного эффекта. Введение этих работ позволит подробно рассмотреть одну из самых сложных в восприятии тем квантовой физики.

В завершении главы 2 сформулированы основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

1. Использование компьютерных моделей при изучении квантовой физики является не только целесообразным, но и необходимым в современных условиях, поскольку в квантовой физике рассматриваются физические объекты и явления, описываемые сложным математическим аппаратом, модели этих объектов и явлений носят абстрактный характер и не имеют аналогов в макромире.

2. Создания компьютерных моделей требуют те элементы содержания учебного материала по квантовой физике, которые а) либо вообще не допускают использования натурного эксперимента, либо требуют сочетания натурного и модельного эксперимента, б) отличаются особой абстрактностью, невозможностью создания единой адекватной наглядно-образной модели объекта, явления, закономерности.

3. При отборе или разработке компьютерных моделей квантовых объектов, явлений и закономерностей целесообразно руководствоваться следующими идеями: 1) не следует стремиться к обязательному отражению в виде наглядно-образной компьютерной модели объекта или явления микромира; 2) адекватность моделирования квантового объекта, явления или закономерности может достигаться за счет множественности моделей, взаимно дополняющих друг друга; 3) при работе с любой компьютерной моделью необходимо уделять внимание ее ограниченности, ее отличиям от оригинала.

4. Компьютерные модели при изучении квантовой физики можно применять в форме лекционных демонстраций и виртуальных лабораторных работ. В лекционные демонстрации следует включить компьютерные модели, имитирующие натурный компьютерный эксперимент, моделирующие натурный эксперимент на микроуровне и иллюстрирующие результаты расчетов. В компьютерный лабораторный практикум следует включить работы для проверки результатов натурного эксперимента, для расширения возможностей учебного натурного эксперимента, для расширения возможностей исследования на основе математического моделирования и для замещения реальных экспериментальных установок. Третья глава «Педагогический эксперимент». Она посвящена обсуждению организации, проведения и результатов педагогического эксперимента. Педагогический эксперимент проводился на кафедре физики для естественных факультетов Московского педагогического государственного университета. В нем участвовало более 800 студентов математического, химического и биолого-химического факультетов. Эксперимент состоял из трех этапов: констатирующего, поискового и обучающего. Характеристика этих этапов приведена в табл. 3.

Таблица 3

Экспериментальная база Количество участников Цели и методы

Констатирующий этап (2001-2002)

МПГУ 289 студентов и 10 преподавателей. Цель - выявление целесообразности использования НИТ при изучении квантовой физики. Методы - беседы с преподавателями и студентами, изучение педагогического опыта, экспертная оценка.

Поисковый этап (2001-2003)

МПГУ 327 студентов и 10 преподавателей. Цель - поиск методических приемов обучения при применении программно-педагогических средств в учебном процессе по квантовой физике. Методы - беседы с преподавателями и студентами, экспериментальное преподавание, экспертная оценка.

Обучающий этап (2002-2004)

МПГУ 197 студентов и 10 преподавателей. Цель - проверка гипотезы исследования. Методы - беседы с преподавателями и студентами, экспериментальное преподавание, экспертная оценка.

Как уже отмечалось, констатирующий эксперимент показал, что требуется совершенствование методики преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов за счет внедрения в учебный процесс новых информационных технологий.

Поисковый этап позволил отобрать темы квантовой физики, по которым целесообразно использовать компьютерные эксперименты, исследовать различные аспекты использования компьютерных моделей.

На обучающем этапе педагогического эксперимента для экспериментальной проверки гипотезы исследования была проведена апробация созданной нами методики использования НИТ по разделу «Квантовая физика». Методика была испытана на студентах 4 курса математического (145 человек) и 2 курса химического (52 человека) факультетов МПГУ. В эксперименте участвовали 10 преподавателей кафедры физики для естественных факультетов МПГУ. На математическом и химическом факультетах были выделены экспериментальный и контрольный потоки. На экспериментальном потоке курс лекций по квантовой физики читался с использованием разработанного компьютерного демонстрационного эксперимента, а лабораторный практикум был дополнен тремя новыми лабораторными работами. На контрольном потоке данный материал читался без использования компьютерного демонстрационного эксперимента и разработанных лабораторных работ.

Сначала было проведено изучение оценки студентами собственных знаний в области квантовой физики. Для того чтобы проверить, как студенты оценивают свои знания по квантовой физике, после окончания лекций им была предложена анкета из 33 вопросов по квантовой физике. Анкетирование студентов до изучения квантовой физики не проводилось. Результаты анкетирования после изучения квантовой физики приведены на рис. 1. Видно, что самооценка знаний по квантовой физике студентов экспериментального потока примерно в 1,5 раза выше, чем в контрольном потоке.

100 90

[ И Математический факультет И Химический факультет

Рис. 1. Самооценка студентами своих знаний по квантовой физике

В завершении на обучающем этапе педагогического эксперимента было проведено тестирование студентов с целью проверки усвоения ими содержания раздела «Квантовая физика». Тест состоял из 37 вопросов. Результаты тестирования представлены на рис. 2 и показали, что использование методики позволяет повысить процент правильных ответов примерно в 1,5 раза. В табл. 4 приведен средний балл теста.

¡■Математический факультет ШХимический факультет J

Рис 2. Результаты тестирования студентов по квантовой физике

В результате использования разработанной нами методики студенты стали лучше ориентироваться в явлениях и законах квантовой физики. Это позволило существенно расширить их квантовые представления, а также повысила уровень их научной подготовки (увеличив число правильных ответов с 46-50% до 69-76%, а средний балл на 15-25%). Используемые демонстрации создали необходимый эмоциональный фон, повысили интерес студентов к обучению физике.

Таблица 4

Средний балл теста_

Математический факультет Химический факультет

Экспериментальный поток Контрольный поток Экспериментальный поток Контрольный поток

27 23 28 23

Более высокие результаты выполнения тестовых заданий студентами экспериментального потока позволяют говорить о повышении качества подготовки студентов по квантовой физике, а результаты изучения самооценки знаний студентами и выявленного при анкетировании отношения к применению компьютерных моделей свидетельствует о положительном влиянии предлагаемой методики на развитие учебной мотивации при изучении квантовой физики. Тем самым можно говорить о подтверждении гипотезы исследования.

В приложениях приведены подробные описания созданных компьютерных лабораторных работ, содержание анкет и тестовых заданий. Основные результаты исследования 1. На основе анализа педагогической литературы, программно-педагогических средств и учебного курса «Квантовая физика» обоснованы:

• необходимость и место использования компьютерного модельного эксперимента в учебном процессе при изучении квантовой физики, а также пути его сочетания с натурным экспериментом;

• особая роль, которую играют компьютерные модели при изучении квантовой физики, связанную с абстрактным характером учебного материала, отсутствием его наглядности, трудностями в проведении натурного эксперимента;

• содержание учебного материала по квантовой физике, для изучения которого целесообразно использование компьютерного модельного эксперимента.

2. Определены возможности сочетания компьютерного модельного эксперимента и натурного эксперимента по квантовой физике, показано, что сочетание наиболее целесообразно при изучении таких тем, как квантовая оптика, спектральные закономерности, атом по Бору, эффект Зеемана; использование только компьютерного модельного эксперимента целесообразно при изучении волновых свойств микрочастиц, строения многоэлектронных атомов.

3. Отобраны требования к компьютерному модельному эксперименту по квантовой физике (универсальность, адекватность, точность, экономичность, доступность, научность содержания, выразительность и эмоциональность, видимость и наглядность, убедительность, надежность и воспроизводимость, систематичность и последовательность).

4. На основе существующих ППС создан комплект компьютерных модельных демонстраций по квантовой физике («Законы фотоэффекта», «Эффект Комптона», «Волновые свойства частиц», «Постулаты Бора», «Квантование электронных орбит», «Радиальные и угловые функции атома водорода», «Форма электронного облака», «Застройка электронных оболочек», «Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле»), имитирующих натурный эксперимент на макроуровне, микроуровне и иллюстрирующих результаты расчетов.

5. На основе существующих ППС разработаны компьютерные модельные лабораторные работы («Изучение дифракции электронов», «Исследование волдновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности»), которые могут использоваться для расширения и проверки результатов натурного эксперимента, для замещения реального эксперимента, для реализации математического моделирования как научного метода исследования.

6. Проведена экспериментальная проверка разработанной методики применения компьютерных лекционных демонстраций и виртуальных лабораторных работ в квантовой физике, которая показала повышение качества подготовки студентов по квантовой физике и рост учебной мотивации. По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Демин Е.В., Королева Л.В. Лабораторный практикум по квантовой физике для естественных специальностей педвузов с использованием компьютерного моделирования // Наука и Школа. - 2004. - № 1. - С. 51-52. 0,2 п.л. (50% авторских).

2. Демин Е.В., Королев М.Ю. Методика использования математической среды МаШсаё в лабораторном практикуме по квантовой физике // Юбилейный сборник МПГУ. В сб.: Актуальные проблемы математики, физики, информатики и методики их преподавания. - М.: Прометей, 2003. - С. 237-239. 0,19 п.л. (50% авторских).

3. Демин Е.В., Королева Л.В. Использование информационных технологий в лабораторном практикуме по квантовой физике // Научные труды МПГУ. Серия: Естественные науки. Сб. статей. - М.: Прометей, 2003. -С. 235-238. 0,25 п.л. (50% авторских).

4. Демин Е.В., Королева Л.В. О лабораторном практикуме по разделу «Квантовая физика» для естественных специальностей педагогических вузов // Научные труды МПГУ. Серия: Естественные науки. Сб. статей. -М.: Прометей, 2004. - С. 158-161.0,25 п.л. (50% авторских).

5. Демин Е.В., Королева Л.В. Моделирование эффекта Зеемана в физическом практикуме для естественно-математических специальностей // Актуальные проблемы математики, информатики, физики и математического образования (юбилейный сборник 70 лет кафедре математического анализа Московского педагогического государственного университета). — М., МПГУ, 2004. - С. 601-609.0,56 п.л. (50% авторских).

6. Демин Е.В., Королева Л.В. Лабораторный практикум по квантовой физике - цели, задачи, содержание // Тезисы седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования»: Т.2. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2003. - С. 173-174. 0,12 п.л. (50% авторских).

Подл, к печ. 16.11.2004 Объем 1.25п.л. Заказ №. 388 Тир 100 экз.

Типография МПГУ

228 9t

149

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Демин, Евгений Вадимович, 2004 год

Введение

Глава 1. Состояние проблемы использования новых информационных технологий при изучении квантовой физики

I. I Роль и место квантовой физики в подготовке учителей естественно-математических специальностей

1.2 Анализ практики использования новых информационных технологий при изучении физики

1.3 Обзор программно-педагогических средств по квантовой физике

1.3.1 Программно-педагогические средства, ориентированные на школу

1.3.2 Программно-педагогические средства, ориентированные на ВУЗ 59 Выводы по главе

Глава 2. Методическое обеспечение компьютерного эксперимента по квантовой физике 2.1 Требования, предъявляемые к программно-педагогическим средствам 65 <# 2.2 Компьютерный демонстрационный эксперимент по квантовой физике и методика его проведения

2.3 Лабораторный практикум по квантовой физике и методика его проведения

Выводы по главе

Глава 3. Педагогический эксперимент

3.1. Организация педагогического эксперимента

3.2. Результаты педагогического эксперимента

3.2.1 Констатирующий этап

3.2.2 Поисковый этап

3.2.3 Обучающий этап 111 Выводы по главе 3 135 Заключение

Введение диссертации по педагогике, на тему "Методика использования новых информационных технологий в процессе преподавания квантовой физики в педагогических вузах"

Согласно ГОС ВПО дисциплина «Физика» входит в федеральный компонент блока общих математических и естественнонаучных дисциплин для таких специальностей как учитель информатики, математики, химии, биологии и географии. В дальнейшем для них мы будем использовать термин естественно-математические педагогические специальности. Физика дает нам понимание того, что нас окружает, позволяет понять процессы и законы, происходящие в природе. Она также может помочь при изучении студентами специальных дисциплин, например, строение молекул и основы квантовой химии, физическая химия, физическая география и т.д., а также в профессиональной деятельности.

Квантовая механика является основой современной физики. Большинство открытий в современной физике были предсказаны и описываются на основе квантовой механики. С точки зрения преподавания квантовая физика важна тем, что в ней формируются основные квантовые представления, закономерности и создается база для изложения учебного материала последующих разделов -статистической физики (поведение квантового идеального газа), физики твердого тела (квантовая природа электрических, магнитных и оптических свойств твердых тел). Для лучшего усвоения материала необходимо на протяжении всего курса физики, начиная с механики, говорить о границах применимости классического описания явлений, о существовании, наряду с непрерывным спектром энергии, дискретных спектров, о соотношениях неопределенностей. Все это, несомненно, облегчит изложение и восприятие основных понятий квантовой теории.

1) квантовая теория оперирует с множеством абстрактных понятий и математических моделей, которые затрудняют восприятие материала;

2) так как квантовая теория является частью теоретической физики, то возникает трудность, связанная с использованием сложного математического аппарата;

3) одним из главных недостатков данного курса, затрудняющих его восприятие, является отсутствие наглядности при его изучении.

Все это приводит к тому, что после прослушивания курса у студентов формируются недостаточно прочные и глубокие знания основ квантовой теории.

Возможно, на наш взгляд, несколько путей решения этих проблем.

1. Совершенствование методики изучения теоретической базы данного курса - отбор материала, структура и содержание лекционного курса.

2. Совершенствование методики проведения семинарских и практических занятий по решению задач.

3. Совершенствование экспериментальной поддержки курса, в том числе с использованием новых информационных технологий (НИТ).

Мы избрали для нашего исследования третий путь. Это позволит решить главную проблему данного курса — улучшит наглядность излагаемого материала. Введение новых компьютерных экспериментов (демонстрационных и лабораторных) повлечет за собой изменение структуры и содержания лекционного курса и семинарских занятий. В квантовой физике постановка реальных физических экспериментов в учебном процессе затруднена. Однако развитие новых информационных технологий и их средств открывают новые возможности решения этой проблемы.

Сегодня компьютер стал неотъемлемой частью современной жизни; он вошел во все сферы деятельности человека, в том числе и в образовании. Здесь он получил широкое распространение, являясь не только инструментом, но и средством получения новых знаний и навыков. Внедрение компьютера в учебный процесс расширяет возможности получения знаний об объектах изучения, а также дает возможность проведения самостоятельной, исследовательской работы на качественно новом уровне.

Компьютерное моделирование нашло широкое применение в физике, как при научных исследованиях, так и в процессе ее преподавания. Наибольшую ценность здесь представляют имитационные эксперименты, моделирующие физические явления, ненаблюдаемые в реальных условиях по разным причинам:

• из-за мелкомасштабности или крупномасштабности происходящих процессов,

• масштаб времени протекающего физического процесса не соответствует времени наблюдения,

• невозможности наблюдения явления по причинам, связанным с техникой безопасности, технической сложностью постановки эксперимента и т.п.,

• невозможностью управления'условиями проведения эксперимента. Эффективность использования НИТ определяется наличием качественных программно-педагогических средств (ППС). В последнее время разрабатывается большое их количество. Наибольший интерес вызывают программы, которые содержат интерактивные компьютерные модели. Используя такие программы и помощь преподавателя, учащиеся взаимодействуют с учебной моделью и получают знания об объекте изучения. Отличительной особенностью этого способа изучения является наличие обязательного этапа сопоставления знаний, полученных с помощью модели и явлений, происходящих в «натуральных условиях».

Количество натурных учебных экспериментов по квантовой физике невелико, а многие из них малоинформативны. Компьютерное моделирование является существенным дополнением к ним. Оно позволяет улучшить наглядность и детализацию явления.

Анализируя учебно-методическую литературу можно выделить следующие тенденции: стало уделяться большое внимание вопросу внедрения НИТ в учебный процесс (В.А. Извозчиков, В.В. Лаптев, A.C. Кондратьев, A.B. Смирнов, C.B. Панюкова, И.В. Роберт и др.). для курса физики средней школы разрабатываются ППС и методики их использования (Е.А. Манина, Н.Б. Розова, A.B. Кудрявцев, И.М. Нуркае-ва, О.Б. Медведев, O.E. Макарова, H.H. Гомулина и др.). разрабатываются методики использования НИТ в некоторых курсах физики высшей школы, ориентированные на студентов технических вузов (A.A. Лактионов, Л.С. Коновалец, Л.В. Миронова, Г.А. Шмелева, С.М. Куценко, E.H. Черкасская, Ю.В. Федорова и др.).

К сожалению, эти тенденции практически не затрагивают вопросы изучения квантовой физики: недостаточно учебных компьютерных программ, ориентированных на вопросы квантовой физики; практически отсутствуют методики использования НИТ при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Цель исследования заключается в теоретическом обосновании и разработке методики использования новых информационных технологий в процессе изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

• теоретически обосновать целесообразность и возможность включения. в учебный процесс компьютерного демонстрационного эксперимента и компьютерных лабораторных работ по квантовой физике;

• провести анализ ППС по квантовой физике и сформулировать требования к ним;

• экспериментально проверить гипотезу о влиянии разработанной методики на повышение качества подготовки и учебную мотивацию студентов.

Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования и видов деятельности:

• анализ литературы по исследуемой проблеме;

• научно-методический анализ содержания учебных программ и учебных пособий по квантовой физике;

• изучение и анализ передового педагогического опыта;

• моделирование учебных ситуаций и проектирование учебного процесса;

Научная новизна исследования состоит в том, что

• обоснована особая роль, которую играют компьютерные модели при изучении квантовой физики, связанная с абстрактным характером учебного материала, отсутствием наглядности, трудностями в проведении реального эксперимента, противоречивыми свойствами квантовых объектов. отобрано содержание учебного материала по квантовой физике, для изучения которого целесообразно использование компьютерного модельного эксперимента; на основе существующих ППС создан комплект компьютерных модельных демонстраций по квантовой физике, имитирующих натурный эксперимент на макроуровне, микроуровне и иллюстрирующих результаты расчетов; определены возможности сочетания компьютерного модельного эксперимента и натурного эксперимента по квантовой физике, а именно показано, что это сочетание наиболее целесообразно при изучении таких тем, как квантовая оптика, спектральные закономерности, атом по Бору, эффект Зеемана; в учебном процессе педвуза при изучении волновых свойств микрочастиц, строения многоэлектронных атомов целесообразно использование только компьютерного модельного эксперимента; на основе существующих ППС разработаны компьютерные модельные лабораторные работы, которые могут проводиться для расширения и проверки результатов натурного эксперимента, для замещения реального эксперимента, для реализации математического моделирования как научного метода исследования.

Практическая значимость исследования заключается в разработке: комплекта компьютерного демонстрационного эксперимента по квантовой физике («Законы фотоэффекта», «Эффект Комптона», «Волновые свойства частиц», «Постулаты Бора», «Квантование электронных орбит», «Радиальные и угловые функции атома водорода», «Форма электронного облака», «Застройка электронных оболочек», «Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле»); компьютерных модельных лабораторных работ («Изучение дифракции электронов», «Исследование волновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности»); учебно-методических рекомендации по применению компьютерных демонстраций и лабораторных работ по квантовой физике в учебном процессе на естественно-математических факультетах педагогических вузов.

На защиту выносятся: Обоснование особой роли использования компьютерных моделей при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов, которая определяется спецификой учебного материала (абстрактностью, противоречивым характером, невозможностью создания адекватных наглядных образов квантовых объектов и явлений) и трудностями в проведении реального эксперимента (кратковременностью протекания физических явлений на микроуровне, невозможностью управления условиями проведения эксперимента, технической сложностью постановки эксперимента, требованиями техники безопасности).

3. Разработанные компьютерные модельные лабораторные работы по квантовой физике («Изучение дифракции электронов», «Исследование волновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности») и методика их использования в лабораторном практикуме на естественно-математических факультетах педагогических вузов, включающая способы взаимодействия преподавателя и студентов, описания лабораторных работ, откорректированные программно-педагогические средства.

Результаты исследования докладывались на: Научно-методической конференции МПГУ, Москва, 2003 г.

Седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования», Санкт-Петербург, 2003 г. Научно-методической сессии МГТГУ, Москва, 2004 г.

Научно-методических семинарах кафедры физики для естественных факультетов и кафедры теории и методики обучения физике МПГУ.

По теме исследования опубликовано 6 печатных работ в журналах, сборниках и трудах конференций:

2. Демин Е.В., Королев М.Ю. Методика использования математической среды МаЛсас! в лабораторном практикуме по квантовой физике // Юбилейный сборник МПГУ. В сб.: Актуальные проблемы математики, физики, информатики и методики их преподавания. - М.: Прометей, 2003. - С. 237-239. 0,19 пл. (50% авторских).

3. Демин Е.В., Королева Л.В. Использование информационных технологий в лабораторном практикуме по квантовой физике // Научные труды МПГУ. Серия: Естественные науки. Сб. статей. - М.: Прометей, 2003. — С. 235-238. 0,25 пл. (50% авторских).

4. Демин Е.В., Королева Л.В. О лабораторном практикуме по разделу «Квантовая физика» для естественных специальностей педагогических вузов // Научные труды МПГУ. Серия: Естественные науки. Сб. статей. — М.: Прометей, 2004. - С. 158-161. 0,25 п.л. (50% авторских).

6. Демин Е.В., Королева Л.В. Лабораторный практикум по квантовой физике — цели, задачи, содержание // Тезисы седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования»: Т.2. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2003. - С. 173-174. 0,12 п.л. (50% авторских). Педагогический эксперимент по проведенному исследованию выполнялся с 2001 по 2004 гг. Он содержал три этапа: констатирующий (2001-2002 гг.), поисковый (2002-2003 гг.) и обучающий (2003-2004 гг.). Всего в эксперименте участвовало 12 преподавателей и более 800 студентов Московского педагогического государственного университета.

Педагогический эксперимент проводился с использованием метода интервьюирования преподавателей, а также, анкетирования и тестирования студентов. Результаты исследования были подвергнуты статистической обработке.

Основные результаты исследования внедрены в практику работы кафедры физики для естественных факультетов Московского педагогического государственного университета.

Структура и содержание диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 191 страницу, из них 137 страниц основного текста. В тексте диссертации 23 рисунка, 10 таблиц, 3 приложения. В списке литературы 183 наименования.

Заключение диссертации научная статья по теме "Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)"

Выводы по главе 1

1. Результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента показали, что квантовая физика дает существенный вклад в систему фундаментальной и профессиональной подготовки студентов естественно-математических специальностей педагогических вузов и необходимо дальнейшее совершенствование методики ее преподавания.

2. Проблема использования НИТ в квантовой физике является актуальной на сегодняшний день, т.к. рассмотрены лишь некоторые частные вопросы и отсутствуют методики использования НИТ в процессе преподавания квантовой физики.

3. Необходимо рассмотреть вопрос эффективного сочетания (или замещения) компьютерных модельных экспериментов и натурного эксперимента в квантовой физике.

Глава 2.

Методическое обеспечение компьютерного эксперимента по квантовой физике

2.1 Требования, предъявляемые к программно-педагогическим средствам

Анализ литературных источников показал, что лишь малая часть учебных компьютерных программ является удовлетворительной. Объясняется это стихийностью процесса создания этих программ. Проблему создает также самопроизвольный в большинстве случаев ход внедрения компьютерных программ в практику обучения [22, 124, 152, 153, 56, 72, 157, 100].

В работе И.В. Роберт указывается на то, «что наиболее существенными причинами создания низкокачественных (с педагогической точки зрения) компьютерных программ является, во-первых, частичное, а порой и полное игнорирование дидактических принципов обучения при их разработке и, во-вторых, неправомерный перенос традиционных форм и методов обучения в новую технологию обучения, использующую компьютер. Так как разработка программных средств учебного назначения - сложный процесс, требующий коллективного труда не только учителей, методистов, программистов, но и психологов, гигиенистов, дизайнеров, то необходимо предъявление комплекса требований к программным средствам (ПС) учебного назначения» [125].

И.В. Роберт был разработан комплекс требований к программным средствам, используемым в процессе обучения. К ним относятся:

• педагогико-эргономические требования,

• дидактические требования (обеспечение научности содержания, доступности, систематичность и последовательность обучения, адаптивности, и т.п.),

• эргономические требования к содержанию и оформлению (необходимость: учитывать возрастные и индивидуальные особенности учащихся, обеспечивать положительные стимулы при общении обучаемого с программой, доброжелательную и тактичную форму обращения к ученику и т.п.),

• психологические требования,

• гигиенические требования,

• эстетические требования,

• технические требования.

Мы согласны с тем, что программное средство, используемое в процессе обучения, должно удовлетворять всем выше перечисленным требованиям. Однако проведение такой экспертной оценки может занять значительное количество времени. Мы же попытаемся выделить те требования, на которые следует обратить внимание в первую очередь преподавателю при использовании ППС в учебном процессе.

Использование вычислительной техники наиболее оправдано на лекционных и лабораторных занятиях, где компьютер открывает новые возможности для их эффективного проведения. При таком подходе компьютер должен использоваться как инструмент в познании закономерностей микромира, что позволит облегчить студентам понимание основных положений квантовой физики и даст возможность показать прикладное значение этой теории. Использование компьютерных моделей позволит проводить физический эксперимент максимально приближенный к натурному. Таким образом, можно будет демонстрировать эксперименты, которые в традиционной методике излагаются только результативным образом.

Физический эксперимент с компьютерными моделями объединяет в себе все основные дидактически важные характеристики основных типов эксперимента, повышая тем самым свой обучающий потенциал. Компьютерный эксперимент можно классифицировать: 1. По дидактическим целям:

1) изучение нового материала;

2) повторение изученного;

3) систематизация и обобщение изученного;

4) формирование практических и исследовательских умений и навыков;

5) контроль знаний, умений и навыков.

2. По содержанию:

1) наблюдение, изучение явлений;

2) выяснение, иллюстрация физических закономерностей, зависимостей между величинами;

3) определение физических констант.

3. По месту в учебном процессе:

1) предваряющий изучение материала;

2) сопутствующий изучению материала;

3) завершающий изучение материала.

4. По формам постановки учебного эксперимента:

1) проблемный эксперимент;

2) исследовательский;

3) иллюстративный.

5. По степени активности и самостоятельности учащихся в ходе эксперимента:

1) пассивно-иллюстративный эксперимент;

2) репродуктивный;

3) частично-поисковый;

4)творческий.

6. По методам выполнения и обработки результатов:

1) качественный;

2) измерительный;

3) функционально-количественный.

7. По организационным формам учебной деятельности учащихся:

1) фронтальные лабораторные работы;

2) индивидуальный лабораторный эксперимент;

3) физический практикум [137].

Однако высокая эффективность проведения эксперимента достигается при соблюдении определенных требований.

Сама по себе компьютерная модель (программа) должна удовлетворять требованиям универсальности, адекватности, точности, экономичности, доступности [122, 131, 11, 72].

О степени универсальности моделирующих компьютерных программ судят по тому, насколько полно она отображает свойства реального объекта. Любая моделирующая компьютерная программа описывает свойства объекта приближенно и представляет собой упрощение реальной ситуации.

Точность моделирующей компьютерной программы - это степень совпадения реально измеренных значений параметров явления или объекта и значений тех же параметров, полученных с помощью математической модели. Это необходимо для успешного использования модели, ибо обеспечивает высокую степень доверия учащихся к получаемому результату.

Адекватность моделирующей компьютерной программы заключается в том, что она рассматривается как некоторый продукт сознания, тождественно отображающий фрагмент объективной реальности. Компьютерная программа не есть сама действительность, она лишь ее отражает. Моделирующая программа обязана давать возможность выводить достоверные следствия, а также должна отражать существенные для учебных целей свойства объекта с заданной степенью точности.

При работе с моделирующей компьютерной программы нужно учитывать уровень знаний, умений и навыков учащихся. Поэтому необходимо выполнять требование доступности той информации, которую должна нести учащимся данная программа.

Экономичность моделирующей компьютерной программы характеризуется затратами вычислительных ресурсов на ее реализацию.

Если компьютерная модель (программа) используется на лекционных занятиях, то она должна удовлетворять основным требованиям к демонстрационному эксперименту.

1. Научность содержания моделирующих компьютерных программ. Реализация этого принципа направлена на приобщение студентов к методам науки (в частности, к имитационно-моделирующей деятельности) и опирается на закономерную связь между содержанием наук и учебного предмета.

2. Выразительность и эмоциональность.

3. Наглядность эксперимента и его видимость в большой аудитории. Наглядность предполагает ясную и понятную постановку демонстрационного опыта [151, 161].

Некоторые авторы [131, 98, 11, 72, 34] вводят к этим основным требованиям ряд дополнительных.

Убедительность — это требование к демонстрации опыта, который не может привести к неверному толкованию.

Эффективность эксперимента во многом зависит от его надежности и воспроизводимость. Под этим понимается получение желаемого результата с достаточной степенью точности и повторение этих результатов при одних и тех же начальных условиях и параметрах явления. Здесь следует различать два аспекта. Первый — воспроизведение опыта в том же варианте, в котором он был продемонстрирован первоначально; второй - это повторение опыта в несколько измененном варианте. Вариативность опыта способствует более глубокому раскрытию сущности изучаемого явления или процесса, помогает создать условия для сравнений и сопоставлений.

Если компьютерная модель (программа) вводится в структуру лабораторных занятий, то добавляется еще несколько дополнительных требований [72].

Адаптивность. Под требованием адаптивности моделирующих компьютерных программ следует понимать, с одной стороны, приспособляемость к индивидуальным особенностям учащихся, с другой — обеспечение возможности приспособления программы для тех или иных видов занятий по усмотрению преподавателя. Моделирующие компьютерные программы должны предусматривать различные уровни трудности заданий для учащихся.

Систематичность и последовательность обучения с помощью моделирующих компьютерных программ. При создании моделирующих компьютерных программ систематичность обеспечивается расположением материала в определенной последовательности для овладения учащимися знаниями, умениями, навыками.

Отобранные нами требования можно представить в виде схемы. л

Проанализировав существующие ППС (см. главу 1), мы выбрали две программы, которые после соответствующей корректировки и модернизации будут наиболее полно, на наш взгляд, отвечать целям и выделенным требованиям для проведения демонстрационных и лабораторных экспериментов по квантовой физике. Это «Открытая физика 1.0 часть II» и «Физика микромира на компьютере». Эти программы обладают еще рядом преимуществ таких как: невысокие технические требования к компьютеру, большое разнообразие моделей, высокая степень интерактивности моделей, простой и удобный интерфейс.

Следует обратить внимание на следующее: несмотря на то, что компьютерный эксперимент имеет много достоинств, замещать полностью реальный эксперимент на компьютерный нецелесообразно, так как только в реальном опыте можно ощутить всю полноту и суть явления. Желательно найти разумное сочетание компьютерных и натурных экспериментов.

2.2. Компьютерный демонстрационный эксперимент по квантовой физике и методика его проведения

В последнее время уделяется большое внимание роли и месту демонстрационного эксперимента в процессе преподавания физики в педвузе. Решение этих вопросов теснейшим образом связано с совершенствованием высшего педагогического образования. В ряде диссертационных исследований [67, 28, 29, 82, 41, 27 и др.] отмечается, что: в процессе преподавания физики в педвузах принцип наглядности следует рассматривать как одно из средств связи теории с практикой, науки с жизнью; не только в теории надо выделять и проводить стержневые идеи, но и эксперимент готовить так, чтобы объединять изучение целых разделов специально разработанной единой методикой.

Современная высшая школа требует от своих выпускников высокого уровня не только научной, но и профессиональной подготовки. Это накладывает дополнительные требования на содержание и методику выполнения физического демонстрационного эксперимента, разрабатываемого для студентов. Необходимо учесть, что в учебном плане для специальностей «математика и информатика», «информатика и математика», «химия», «биология», «география» на лабораторный практикум по физике отводится малое количество часов (около 20-60 часов), а, следовательно, ряд задач практикума перекладывается на лекционные демонстрации.

Дидактические задачи лекционных демонстраций: расширять содержание изучаемого материала; способствовать усвоению и закреплению изучаемого материала; знакомить с экспериментальными методами исследования в науке; отражать современные достижения науки и техники.

Очень важно на лекциях демонстрировать не только окончательный результат теоретического исследования, но и стремиться проиллюстрировать промежуточные этапы поиска истины. Процесс обучения необходимо максимально приблизить к процессу научного исследования. Для этого, прежде всего, требуется, чтобы студенты были достаточно подготовленными. Могли самостоятельно анализировать и обобщать научные факты и результаты исследований. Как показывает опыт, решению этой задачи способствует правильная постановка лекционных демонстраций.

Если рассматривать натурные демонстрационные эксперименты по квантовой физике, то они представлены в очень малом объеме. Так, в пособиях по демонстрационному эксперименту мы можем найти следующие опыты:

Излучение нагретых тел [81, 50].

• Опыт с кубиком Лесли.

• Опыт с образцами в муфельной печи.

• Демонстрация модели черного тела.

Фотоэффект.

• Обнаружение фотоэлектрического эффекта на металлической пластине (демонстрация внешнего фотоэффекта) [102, 85, 6, 38, 146].

• Обнаружение фототока (опыт Столетова) [102, 6, 146, 138, 76].

• Демонстрация зависимости фототока от напряжения и интенсивности света [38, 146, 138, 76, 144].

• Демонстрация зависимости запирающего напряжения от частоты света [146, 138, 76, 144].

Рассмотрение многих вопросов квантовой физики на лекционных занятиях возмоэ/сно при использовании компьютерных моделей, что будет рассмотрено в данной главе работы.

Нами разработаны компьютерные модельные демонстрации следующих типов:

1) имитирующие натурный эксперимент на макроуровне;

2) моделирующие натурный эксперимент на микроуровне;

3) иллюстрирующие результаты расчетов.

Остановимся на методике использования каждого из этих типов моделей на лекциях по квантовой физике.

Компьютерные модели, имитирующие натурный эксперимент на макроуровне, воспроизводят экспериментальную установку, ход действий и результаты натурного эксперимента. Такие демонстрации не должны подменять сам натурный эксперимент. Это следует из того неоспоримого факта, что результаты натурного эксперимента отражают действительность, а результаты компьютерных экспериментов задаются создателями программы и не несут новой информации об окружающем мире. Применение компьютерных моделей целесообразно в двух случаях:

1) натурный эксперимент недостаточен для демонстрации какого-либо физического явления;

2) натурный эксперимент невозможен.

В первом случае компьютерная модель дополняет натурный эксперимент. Например, преподаватель вводит понятие о внешнем фотоэффекте с опорой на натурный эксперимент. Затем информирует студентов о количественных закономерностях явления, сопровождая этот фрагмент лекции компьютерной моделью.

Компьютерные модели, моделирующие натурный эксперимент на микроуровне, воспроизводят мысленную модель микропроцессов, предложенную учеными для объяснения того или иного физического явления. В данном случае модель расшифровывает натурный эксперимент, переводит его на новый язык — язык микромира, дает опору для объяснения результатов натурного эксперимента. Поэтому при любых условиях целесообразно их органичное сочетание, а в тех случаях, когда натурный эксперимент невозможен — сочетание информации о натурном эксперименте (и его результатах) с рассматриваемой компьютерной моделью.

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Демин, Евгений Вадимович, Москва

1. Рассмотрим организацию лабораторного практикума по квантовой физике.

2. В завершении главы приведем основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

3. Обоснована необходимость использования НИТ при изучении квантовой физики.

4. Сформулированы критерии для отбора программ.

5. Разработаны лекционные демонстрации и лабораторные работы на основе компьютерных моделей.

6. Разработана методика использования компьютерного модельного эксперимента в лекционных демонстрациях и лабораторном практикуме в процессе преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов.

7. Сформулированы основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

8. Глава 3. Педагогический эксперимент

9. Организация педагогического эксперимента

10. Целью экспериментального исследования являлось установление эффективности обучения квантовой физике и повышение качества усвоения знаний обучаемых на основе использования новых информационных технологий.

11. Целью педагогического эксперимента является проверка основных положений данной гипотезы.

12. Главными задачами педагогического эксперимента являлись:

13. Выяснение необходимости применения НИТ в процессе преподавания квантовой физики.

14. Выяснение необходимости создания современных методических рекомендаций по использованию НИТ.

15. Проверка возможности применения ППС «Открытая физика» и «Физика микромира» в изучении квантовой физике.