автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Методика учебного фундаментального эксперимента по волновой физике

Автореферат диссертации по теме "Методика учебного фундаментального эксперимента по волновой физике"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ИНСТИТУТ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

На правах рукоциси УДК 37.022: 53.05

МАЙЕР РОБЕРТ ВАЛЕРЬЕВИЧ

МЕТОДИКА УЧЕБНОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ВОЛНОВОЙ ФИЗИКЕ

13.00.02 - методика преподавания физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва - 1995

Работа выполнена и I ¡пстшуге общеобразовательной школы Российской Академии образования

Научный руководитель - кандидат педагогических нау^, старший

научный сотрудник Г.Г.ПИКИФОРОВ

Официальные оппоненты - доктор педагогических наук, профессор

А.А.ШШСКПП

кандидат педагогических наук, доцент О.Ю.ОВЧИННИКОВ

Ведущая организация - Кировский педагогический институт

Защита состоится «»Я> / » 1995 года в 10 часов

па заседании специализированного Совета и Институте общеобразовательной школы Российской Академии образования по адресу: 119905, г.Москва, ул. Погодинская, дом 8.

С диссертацией можно ознакомиться и библиотеке ннеппуга.

Автореферат разослан « & „ <ре8уЬалО- 1995

года.

Ученый секретарь Специализированного Совета А.С.Л1лС1ШВСКНП

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ (

Актуальность исследования. Стремительное развитие науки и техники, теснейшим образом связанное с общим интеллектуальным уровнем общества, предопределяет подъем всей системы народного образования на более высокий уровень, использование новых, передовых методов в учебном процессе. Возросшее в условиях научно-технической революции значение физики, как науки о наиболее общих свойствах и законах движения материн, требует повышения качества преподавания ее основ в средних учебных заведениях. .

Принцип оптимизации обучения предполагает выделение и использование системы учебных экспериментов, позволяющей полно, последовательно и за минимальное время обосновать основные идеи изучаемого раздела физики. Теоретические основы, а также методика и техника современной учебного эксперимента подробно исследованы такими известными методистами, как Л.И.Анциферов, О.Ф.Кабар-дин, С.А.Хорошавнн, Н.М.Шахмаев, В.Ф.Шилов, Т.Н.Шамало. В их трудах обоснована постановка общей проблемы создания и совершенствования учебных вариантов фундаментальных физических экспериментов, обеспечивающих более глубокое изучение основных законов и явлений природы, формирование естественно-научной картины мира и материалистического мировоззрения учащихся.

Настоящее исследование ограничивается рассмотрением системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике. С основами теории волнового движения учащиеся знакомятся при изучении звуковых (9 класс) и электромагнитных волн (11 класс). При этом учитель и ученики встречаются с объективными трудностями, обусловленными сложностью теоретического материала и отсутствием , или недостаточной разработанностью методики экспериментального изучения ряда явлений и функциональных зависимостей волновой физики. Ситуация осложняется тем, что нередко учитель вынужден рассказывать о таких явлениях, которые сам не наблюдал, так как они не демонстрировались при его обучении в педагогическом вузе.

Поэтому представляются актуальными исследование содержания и структуры учебного фундаментального эксперимента по волновой физике и разработка системы учебных опытов, обеспечивающих достаточно полное и убедительное обоснование основ теории волнового движения.

Объектом исследования является учебный физический эксперимент по волновой физике.

Предмет исследования - структура, содержание, методика и техника системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике со звуковыми волнами.

Цель исследования состоит в создании такой системы учебного фундаментального эксперимента, которая позволяет сформировать у учащихся эмпирический базис волновой физики в наиболее полном объеме.

Гипотеза исследования. Если разработать методику фундаментального эксперимента со звуковыми волнами, включающую новые учебные опыты по распространению волн, измерению скорости, явлению Доплера, интерференции, дисперсии, принципу Ферма, то возможно создание необходимой и целесообразной в учебном процессе системы учебных фундаментальных экспериментов по волновой физике, обеспечивающей формирование эмпирического базиса теории волнового движения, так как звуковые волны позволяют провести экспериментальное изучение основных волновых явлений в наиболее полном объеме,.

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

1.Дать определение понятию учебного фундаментального эксперимента по физике. Построить дидактическую модель эмпирического базиса теории волн, выявить содержание и структуру учебного фундаментального эксперимента по волновой физике.

2. Усовершенствовать известную или разработать новую мето-. дику экспериментального изучения в опытах со звуком распространения, поглощения, дисперсии волн, явления Доплера, принципа Ферма, метода измерения скорости переноса энергии волной.

3. Доказать возможность создания системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике, состоящей из опытов только со звуковыми волнами, и обеспечивающей изучение всех основных явлений теории волнового движения.

4. Показать, что предложенная система и методика учебного фундаментального эксперимента со звуковыми волнами позволяет сформировать у учащихся эмпирический базис волновой физики, а ее использование в учебном процессе необходимо и целесообразно.

Для решения поставленных задач использовались следующие теоретические методы исследования: изучение и анализ научной, учебной и методической литературы по проблеме фундаментального физического эксперимента и теоретическим основам учебного эксперимента, системный подход к проблеме исследования, поэлементный анализ новой методики, моделирование эмпирического базиса, разработка конкретной методики проведения педагогического эксперимента, методы статистической обработки полученных результатов. Кроме того применялись экспериментальные методы исследования: опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных физических приборов и экспериментальных установок, изготовление и исследование макетных образцов нового учебного оборудования, изучение и обобщение опыта работы с предлагаемым оборудованием преподавателей физики, личное экспериментальное обучение учащихся физическому эксперименту и изготовлению приборов, педагогический эксперимент по проверке целесообразности и необходимости использования разработанной методики.

Научная новизна состоит в том, что определены содержание и структура учебного фундаментального эксперимента; разработана система учебных фундаментальных опытов по волновой физике со звуковыми волнами, техника и методика их использования в учебном процессе; поставлена задача оценки уровня сформированное™ у учащихся эмпирического базиса волновой физики и предложен способ ее решения.

Теоретическая значимость работы заключается в обосновании новой методики фундаментального эксперимента по волновой физике. Практическая ценность работы состоит в том, что использование в реальном учебном процессе предложеной методики и системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике в целом позволит повысить эффективность обучения физике.

На защиту выносятся:

- определение, содержание и структура учебного фундаментального эксперимента по волновой физике,

- предлагаемая методика экспериментального изучения явлений распространения, поглощения, дисперсии, явления Доплера, методов измерения групповой скорости волны и принципа Ферма,

- система учебного фундаментального эксперимента по волновой физике со звуковыми волнами,

-методика оценки уровня сформированное™ у учащихся эмпирического'базиса волновой физики.

Апробация работы осуществлялась на научных конференциях и научно-методическом семинаре «Учебный эксперимент по физике» Глазовского пединститута (1990-1994 гг.), на курсах повышения квалификации учителей Удмуртии (1993 г.), на Советско-Американской конференции (Москва, 1991 г.), на научно-методических конференциях (Екатеринбург, 1992 г.; Нижний Новгород, 1994 г.; Саранск, 1994г.).

Основные результаты исследования отражены в 11 публикациях.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит, из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложения. ^Объем диссертации - 258 е., в том числе 182 с. текста, 58 рисунков на 33 е., приложение на 35 с. Библиография содержит список литературы, включающий 206 источников, в том-числе 8 на иностранном языке.

Во введении обоснована актуальность исследования, .определены научная проблема, объект и' предмет исследования, сформулированы цель, гипотеза, задачи и методы исследования, указаны теоретическая и практическая значимость работы, приведены основные положения, выносимые на защиту.

.В первой главе - "Содержание и структура учебного фундаментального эксперимента по волновой физике" - рассматриваются общие положения использования учебного фундаментального эксперимента при формировании эмпирического базиса физики в целом и теории•волнового движения в частности. Проанализировано современное состояние Проблемы фундаментального физического эксперимента, показана противоречивость трактовки этого понятия, изучены общие концепции и системы взглядов по отдельным аспектам проблемы А.И.Бугаева, СЛ.ВольштеГша, Г.М.Голина, Н.Н.Ивановой, О.Ф.Кабардина, С.В.Позойского, А.В.Прокопьева, Л.И.Резникова, В.Г.Разумовского, А.Х.Суербаева, В.В.Усанова, Д.Шодиева. Подтверждена необходимость всемерного использования фундаментальных экспериментов при изучении физики.

На основе Деления научного эксперимента на фундаментальный, изучающий основные свойства материи, и прикладной, связанный с развитием техники, технологии, в системе учебных опытов выделены подсистемы учебных фундаментальных и прикладных опытов. Учебный фундаментальный эксперимент - совокупность учебных вариантов фундаментального' научного эксперимента, разработанных применительно к условиям обучения, результаты которых составляют эмпирический базис изучаемого раздела физики.

' Экспериментальное обоснование физической теории состоит в доказательстве существования изучаемых ею физических явлений, подтверждении функциональных зависимостей между физическими величинами и измерении- фундаментальных констант. Поэтому в системе учебного фундаментального физического эксперимента логично выделить феноменологические, функциональные и константные опыты. '

Волновая физика - раздел физической науки, изучающий основные явления и закономерности волнового движения независимо от его природы. Исходя из содержания теории волн, курса общей физики педагогических институтов, программ и учебных пособий общеобразовательной школы, факультативных курсов, учебной литературы для углубленного изучения физики, нами построена дидактическая модель эмпирического базиса волновой физики. По концепции и содержанию она наиболее близка учебным пособиям К.М.Яворского и А.А.Пинского, О.Ф.Кабардина и В.А.Орлова,. И.И.Нурминского, а также авторского коллектива, в который входят Ю.И.Дик, С.И. Кабардина, Г.Г.Никифоров, С.Я.Шамаш, Н.И.Шефер, Э.Е.Эвенчик и другие исследователи. Дидактическая модель включает 11 феноменологических, 19 функциональных и 1 константный эксперименту, В нее не вошли опыты по поляризации, так как соответствующее явление имеет место лишь для поперечных волн и поэтому | менее фундаментально для волновой физики в целом, чем, например, дисперсия и отражение, присущие всем видам волн без исключения.^" | Дидактическая модель эмпирического базиса волновой физики 1 безусловно должна быть реализована в педагогическом институте: будущие учителя физики обязаны владеть учебным фундаментальным экспериментом. Что касается практики преподавания в школе', то уровень реализации предложенной дидактической модели-'зависит от большого количества факторов: содержания обучения, выбранной методики, подготовленности учащихся, возможностей физического кабинета, резерва времени и т.д. На наш взгляд, в базовой школе воз- ! можно ограничиться традиционным феноменологическим и константным экспериментами. В классах с углубленным изучением физики целесообразна постановка всего феноменологического эксперимента, а в учебных заведениях с физико-математическим уклоном необходим и функциональный эксперимент. Главной задачей настоящего исследования явилась такая разработка методики учебного фундаментального эксперимента, которая позволила бы преподавателю и учителю физики отобрать требуемую в конкретных условиях серию опытов. Достижению этой цели и служит предлагаемая дидактическая модель.

ДИДАКТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМПИРИЧЕСКОГО БАЗИСА ВОЛНОВОЙ ФИЗИКИ

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНСТАНТНЫЙ

1. Излучение 1.1. Зависимость интенсивности волны от колебательных параметров источника 1.2. Зависимость интенсивности вопны от свойств среды

2. Распространение 2.1. Зависимость интенсивности сферической волны от расстояния до точечного источника 2.2. Зависимость длины волны от частоты при постоянной \ скорости распространения 2.3. Зависимость времени распространения волны от траектории

3. Затухание 3.1. Зависимость интенсивности волны от расстояния, пройденного водной в поглощающей среде 3.2. Зависимость коэффициента поглощения от частоты волны и свойств среды

4. Явление Доплера 4.1. Зависимость доплеровского смещения частоты от ско-роста движения источника и приемника

5. Интерференция 5.1. Зависимость результата интерференции от разности хода между интерферирующими волнами 5.2. Зависимость интерференционного распределения интенсивности от степени когерентности волн

6. Перенос энергин 6.1. Зависимость расстояния 6.1.1. Измерение групповой проходимого волной в скорости волны '

однородной среде, от времени распространения волны 6.2. Зависимость скорости переноса энергии волной от свойств среды

7. Дисперсия 7.1. Зависимость фазовой скорости волны от частоты 7.2. Зависимость фазовой скорости от свойств среды

8. Отражение 8.1. Зависимость угла отражения волны от угла падения

9. Преломление 9.1. Зависимость угла преломления от угла падения 9.2. Зависимость угла преломления от отношения фазовых . скоростей волн в граничащих средах.

10. Дифракция 10.1.Зависимость дифракционной картины от длины волны, характерных размеров препятствия и расстояния до области наблюдения

И. Давление 11.1.Зависимость давления от плотности энергии волны

- о

Анализ известных учебных опытов и современного школьного оборудования позволяет сделать вывод, что для формирования у учащихся эмпирического базиса волновой физики в наиболее полном объеме следует использовать звуковые врлны. Волны на поверхности жидкости целесообразно применять в модельных и иллюстративных демонстрациях. Учебные эксперименты с электромагнитным излучением имеют своей , целью доказать его волновую природу и изучить особенности электромагнитных воли, включая световые. Ультразвук необходимо использовать в случаях, когда требуются ознакомление с его специфическим» свойствами и изучение практических применении.

Доказательство справедливости гипотезы псследовапля сводится к подтверждению возможности создания системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике со звуков!ымп волнами, наиболее полным образом соответствующей эмпирическому базису волновой физики, а также необходимости и целесообразности ее использования в учебном процессе.

Во второй главе - "Формирование эмпирического базиса волновой физики средствами учебного фундаментального эксперимента со звуковыми волнами"- предложена система учебных фундаментальных опытов по волновой физике со звуком. Глава разбита на1 три параграфа, в соответствии с дидактической моделью посвященных феноменологическому, функциональному и константному экспериментам. В ней подробно анализируются известные учебные опыты по волновой физике, предложенные в работах Е.С.Агафоновой, Л.И.'Анциферова, О.Ф.Кабардина, В.В.Манера, Н.Я.Молоткова, Б.Ш.ГЦркальскпса, С.А.Хорошавина, Н.М.Шахмаева и других авторов. В главе показаны преимущества и недостатки использования в учебном фундаментальном эксперименте волн на поверхности жидкости, звуко1^ых, ультразвуковых, радио- и световых волн. Основное содержание) главы заключается в предлагаемой методике формирования эмпирического базиса волновой физики посредством нового учебного эксперимента со звуком.

При разработке этой методики мы обнаружили, что |для постановки определяемых дидактической моделью опытов наряду с традиционным оборудованием необходимо дополнительное: генераторы импульсов и звуковых цугов, индикатор и измеритель вйемени распространения звука, индикатор частоты, ¡узкополосный малрннерцион-ный частотомер, модель резонирующей| среды н некоторые другие приборы. Были определены дидактические функции нового оборудования, характеристики н параметры, позволяющие реалпзишть эти функции, а также поставлено требование простоты и доступности;

для самостоятельного изготовления его учащимися под руководством компетентного учителя. В результате созданы новые приборы, устройство и принцип действия которых описаны в Приложении. Использование их, позволяет реализовать на примере звуковых волн экспериментальное изучение ранее недоступных школьному кабинету физики волновых явлений таких, как распространение и перенос энергии волной, дисперсия ii поглощение волн в резонирующих средах, явление Доплера, интерференция частично когерентных волн и т.д.

Формирование эмпирического базиса волновой физики не может быть осуществлено без экспериментального доказательства существования явлений распространения и переноса волной энергии. Эти яв-ленпя учащиеся воочию наблюдают в опытах с волнами на поверхности жидкости, однако никакие другие волны не позволяют непосредственно увидеть, как они распространяются. Воспользовавшись акустической лупой времени и сканирующим индикатором, мы разработали серию опытов, в которых учащиеся видят, как звуковая волна перемещается в воздухе от излучающего ее динамика, наблю- г дают перенос волной фазы, в демонстрационном опыте оценивают фазовую скорость- звука по замедленному лупой времени движению сжатий и разрежений волны.

Для демонстрации конечности скорости переноса энергии волной предложен индикатор времени распространения звука. Это же явление можно показать с помощью более универсального прибора - измерителя времени распространения звука, который содержит возбудитель сигнала, генератор счетных импульсов, ключевое устройство, счетчик импульсов, динамик и микрофон. При запуске возбудитель вырабатывает кратковременный электрический сигнал, одновременно поступающий на вход ключевого устройства и на динамик. При этом динамик выдает звуковой импульс, а ключевое устройство открывается и начинает пропускать счетные импульсы с генератора на вход счетчика. Счет импульсов происходит в течение времени, пока звуковая, волна не достигнет микрофона, что вызывает закрывание ключевого устройства. Прибор позволяет измерить ! групповую скорость звука в газах с погрешностью менее 1%, изучить зависимость .скорости звука в воздухе от температуры, определить скорость звука в твердых телах и поставить другие интересные и важные опыты.

В главе проанализированы возможности выполнения константного эксперимента по измерению скорости света в вакууме и показа- ' на целесообразность модельного опыта со звуковыми волнами. Обоснован отказ от модельного копирования , опыта Физо, представляющего исключительно исторический интерес. Метод измерения скоро-

сти света предлагается изучать на примере одного из современных экспериментов, в котором с помощью осциллографа или иного измерителя определяется время распространения светового импульса от источника к приемнику. Разработанная методика опирается на аналогичный акустический эксперимент.. Установка состоит из генератора импульсов, соединенного с динамиком и входом запуска ждущей развертки осциллографа, вход вертикального отклонения которого подключен через усилитель к микрофону. Вырабатываемый генератором электрический импульс запускает развертку осциллографа и динамиком преобразуется в звуковой. Достигнув микрофона, звуковой импульс вновь преобразуется в электрический, и на экране появляется его осциллограмма. При приближении и удалении микрофона от динамика на некоторое расстояние осциллограмма импульса смещается по экрану соответственно влево и вправо на величину, пропорциональную времени прохождения звуком этого расстояния.

Другая серия новых опытов связана с дисперсией волн. Необходимость изучения дисперсии света в курсе общей физики педагогических вузов не вызывает сомнений. Однако соответствующий учебный эксперимент фактически отсутствует: известный опыт по разложению белого света в спектр показывает лишь существование дисперсии и не вскрывает ее физическую сущность. Согласно классическим представлениям, переходя из вакуума в диспергирующую среду, свет начинает распространяется мимо множества осцилляторов, возбуждая их вынужденные колебания. Интерференция излучаемых возбужденными осцилляторами вторичных волн с первичной приводит к возникновению результирующей волны, фазовая скорость и интенсивность которой'зависят от ее частоты и тем сильнее, чем ближе частота волны к собственной частоте осцилляторов. Этим и объясняются явления дисперсии и поглощения света в рамках классической модели, что же касается квантовой, то вскрыв физический механизм указанных явлений, она дает тот же результат, что и классическая.

Со времен Кувдта один из опытов по днсперии света заключается в том, что в пучок белого света вносят натриевое пламя, то есть огромное количество возбужденных атомов натрия - осцилляторов, резонирующих при совпадении частоты света с их собственной частотой. Тем или иным способом исследуя прошедшую сквозь пламя, то есть мимо осцилляторов, световую волну, обнаруживают нормальную и аномальную дисперсию в спектральном интервале, включающем линии поглощения натрия. Однако этот опыт очень не прост, и в подавляющем большинстве вузов, не говоря уже о школах, никогда не ставится.

В диссертации предлагается опыт со звуком, полностью подобный оптическому: в звуковой пучок вносят систему акустических осцилляторов или резонаторов, и слой воздуха перед ними становится диспергирующим.

Для экспериментального изучения дисперсии звука вблизи открытых концов резонаторов создают стоячую волну.Измеряя расстояние между ее соседними узлами пли пучностями на разных частотах, определяют длину волны и фазовую скорость, исследуют ее зависимость от частоты. Для быстрой визуализации интерференционной картины удобно использовать простейший сканирующий индикатор, представляющий собой упругую полоску, одни конец которой закреплен в штативе, а на другом установлены микрофон и светоди-од, соединенные через усилитель. При сканировании волнового поля учащиеся в пучностях стоячей волны наблюдают светящиеся отрезки. Показывают, что небольшие изменения частоты звука вблизи собственной частоты резонаторов вызывают значительные изменения длины волны и ее интенсивности. Делают вывод о существовании дисперсии и поглощения звука в резонирующей среде. При необходимости оценивают фазовую скорость волны в областях нормальной и аномальной дисперсии и на основе экспериментальных результатов строят дисперсионную кривую, полностью подобную тем, которые наблюдаются в оптических экспериментах.

Одним из основных положений волновой физики является принцип Ферма, согласно которому волна между двумя точками распространяется по такому пути, на прохождение которого ей требуется экстремальное время. Это утверждение является следствием принципа наименьшего действия Гамильтона, имеющего важное значение для физики в целом. В настоящее время рассматривается в классах с углубленным изучением физики на исключительно теоретическом уровне. Предлагаемая методика экспериментального изучения принципа Ферма состоит в исследовании зависимости времени распространения звуковой волны от пути в однородной среде и при отражении от зеркал разной формы. Для реализации этой методики потребовалось разработать приборы повышенной точности. Измерение времени распространения звукового импульса осуществляется осциллог-рафическим и электронно-цифровым методами, варьирование траектории распространения волны производится в опытах с помощью гибкого шланга, экрана с щелью, узкой отражающей пластины и т.д. При этом показывают, что для траектории распространения волны, соответствующей законам геометрической оптики, затрачиваемое звуковым импульсом время действительно достигает минимума. Таким

образом, традиционно теоретическое изучение принципа Ферма получило экспериментальную основу.

Формирование эмпирического базиса волновой физики в полном объеме требует. создания методики экспериментального изучения явления Доплера. Большинство известных демонстраций акустического явления Доплера основываются на. использовании опорного сигнала или субъективных ощущениях учащихся и поэтому некорректны и малоубедительны. Акустическая лупа времени не позволяет изучить это явление на количественном уровне. В диссертации предлагаются индикатор частоты и узкополосный малоинерционный частотомер, состоящие из усилителя-ограничителя, колебательного контура и индикатора или малоинерционного вольтметра. Колебательный контур преобразует изменения частоты в изменения напряжения, регистрируемые индикатором или измеряемые вольтметром. Установка для количественного изучения явления Доплера, кроме того, содержит маятник с микрофоном на конце, и электронно-цифровой измеритель скорости его движения. При прохождении маятником положения равновесия измеряются скорость микрофона и максимальное значение доплеровского смещения частоты.

Современная методика преподавания основ волновой физики должна решить пробЛему экспериментального изучения интерференции частично когерентных волн. В нашем исследовании реализован один из возможных подходов к этой проблеме: предлагается источник звука, возбуждающий периодическую последовательность цугов с регулируемыми частотой колебаний и их числом в цуге. Рекомендуемый генератор звуковых цугов состоит из задающего генератора, ключевого элемента, счетчика, триггера и усилителя с динамиком на выходе. Счетчик отсчитывает заданное число колебаний в цуге и на некоторое время закрывает ключевой элемент, затем снова его открывает, и далее процесс повторяется. Если к выходу усилителя подключить два динамика, то с помощью микрофона, соединенного через другой усилитель с вольтметром, можно продемонстрировать зависимость результирующей интенсивности от разйостн хода и длины интерферирующих цугов, ввести понятие временной когерентности волны.

Экспериментальное изучение зависимости интенсивности звука от частоты требует использования специального измерителя интенсивности. Общеизвестный прибор, состоящий из соединенных между собой микрофона, усилителя и вольтметра, измеряет амплитуду звукового давления волны и принципиально не реагирует на частоту. Поэтому мы разработали измеритель интенсивности и выбрали условия

эксперимента так, что появилась возможность демонстрации пропорциональности интенсивности звуковой волны квадратам ее амплитуды и частоты.

В диссертации предложена также методика экспериментального изучения преломления звука на границе раздела сред углекислый газ-воздух. С помощью надувного шарика, наполненного из бытового сифона углекислым газом, и имеющего форму шара или полушария можно продемонстрировать преломление и фокусировку звука, исследовать соответствующие функциональные зависимости.

'Таким образом, во второй главе диссертации, содержащей в основном методику экспериментального изучения волновых явлений в опытах со звуком, доказана возможность создания системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике со звуковыми волнами, наиболее полно соответствующей эмпирическому базису теории волн. <

В третьей главе - "Педагогический эксперимент по проверке гипотезы исследования" - намечены основные направления доказательства гипотезы, сформулированы задачи педагогического эксперименту, описаны методика его проведения и методы математической обработки, проанализированы полученные результаты. Кроме того, поставлена проблема оценки уровня сформированности эмпирического" базиса волновой физики у учащихся и намечены пути ее решения, введен коэффициент сформированности эмпирического базиса и разработаны соответствующие тесты для его оценки. Основная задача педагогического эксперимента заключалась в доказательстве необходимости и целесообразности использования разработанной системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике в учебном процессе.

Констатирующий эксперимент, охвативший более 350 учащихся, показал, что они плохо узнают волновые явления в конкретных ситуациях; наибольшую доказательную силу по их мнению имеет такое изучение физического эксперимента, при котором этот опыт демонстрируется на [уроке, или выполняется в рамках лабораторной работы; при экспериментальном обосновании существования волновых явлений учащиеся в первую очередь ссылаются на опыты и наблюдения, которые проводились на уроке или в повседневной жизни; уровень сформированности эмпирического базиса сравнительно невысок.

Обучающий эксперимент, в котором приняли участие более 200 учащихся, позволил сделать заключение, что предложенная методика фундаментального эксперимента .естественным образом вписывается в

учебный процесс, позволяя при этом более полно сформировать эмпирический базис волновой физики. Его основным элементом явилось использование разработанной системы фундаментальных опытов в реальном учебном процессе средней школы и педагогического "вуза, в ходе которого проводились целенаправленные наблюдения за деятельностью учащихся, учителей и преподавателей. Обучающий эксперимент состоял из отдельных стадий, результаты которых оперативно анализировались, учитывались в создаваемой методике учебного эксперимента, оказывали решающее влияние на дидактические параметры разрабатываемого оборудования, и задавали условия следующих стадий обучающего эксперимента. Например, именно обучающий эксперимент определил общую концепцию конструкций новых учебных приборов: блочную компоновку в одном корпусе с функциональными соединениями блоков проводниками, допускающую эксплуатацию как в-демонстрационном, так и в лабораторном вариантах.

Кроме того, для оценки изменения коэффициента сформированное™ эмпирического базиса учащихся мы провели специальный педагогический эксперимент с контрольной и экспериментальной группами. Обе группы прошли входное тестирование, затем было организовано экспериментальное обучение и выходное тестирование. Всего участвовало более 100 школьников и студентов. Сопоставление результатов входного и выходного тестирования, их статистическая обработка методом хи-квадрат позволяют сделать вывод о том, что использование предложенной системы 'фундаментального эксперимента по волновой физике вызывает статистически значимое увеличение коэффициента сформированное™ эмпирического базиса теории волн.

1 Внедрение результатов. Разработанные в ходе настоящего исследования приборы, экспериментальные установки и методики внедрены в учебный процесс школ №1, 11, 15, ГПТУ-24, пединститута г. Глазова, а также используются в Ижевском техническом, Кемеровском, Пермском, Челябинском университетах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное нами исследование показало, что разработка методики фундаментальных экспериментов со звуковыми волнами, включающей новые опыты по распространению, интерференции, дисперсии волн, явлению Доплера, принципу Ферма, измерешйо скорости волны делает возможным создание необходимой и целесообраз-

ной в учебном процессе системы учебных фундаментальных экспериментов по волновой физике, обеспечивающей наиболее полное формирование эмпирического базиса теории волн, и тем самым подтвердило выдвинутую гипотезу.

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

1. Определено понятие учебного фундаментального эксперимента и построена дидактическая модель эмпирического базиса волновой физики. На основе этого выявлено содержание и структура учебного фундаментального эксперимента по волновой физике.

2. Разработана новая методика фундаментальных экспериментов по волновой физике со звуковыми волнами, обеспечивающая изучение явлений распространения, поглощения, дисперсии волн, явления Доплера, зависимостей интенсивности волны от колебательных параметров источника, от расстояния, пройденного волной в поглощающей среде; времени распространения от траектории распространения и ее длины; фазовой скорости волны и коэффициента поглощения от частоты волны; доплеровского смещения частоты от скорости движения источника и приемника волны; результата интерференции от степени когерентности волн; фазовой и групповой скорости волны от свойств среды; а также метода измерения групповой скорости волны.

3. Доказана возможность создания системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике со звуковыми волнами, обеспечивающей формирование эмпирического базиса волновой физики наиболее полным образом. Она включает в себя 31 опыт, в том числе 19 новых (не считая вариантов). Показано, что аналогичные системы учебных опытов с другими видами волн не позволяют изучить основные волновые явления в таком объеме.

4. Педагогический эксперимент подтвердил, что Предложенная методика учебного фундаментального 'эксперимента со звуковыми волнами позволяет сформировать в сознании учащихся эмпирический базис волновой физики, а ее использование в учебном процессе необходимо и целесообразно.

Из результатов настоящего исследования можно сделать следующие выводы:

1. Система учебного фундаментального эксперимента по волновой физике - совокупность феноменологических, функциональных и константных опытов, позволяющая сформировать в сознании учащихся эмпирический базис теории волн. Создание наиболее полной системы учебного фундаментального эксперимента по волновой физике возможно только на основе объединения опытов со звуковыми волнами.

2. Система учебного фундаментального эксперимента со звуковыми волнами требует использования нового оборудования. Для измерения групповой скорости волны, изучения принципа Ферма необходимы генератор звуковых импульсов, измеритель времени распространения звука или осциллограф со ждущей разверткой. Демонстрация интерференции частично когерентных волн обеспечивается генератором звуковых цугов. Для изучения зависимости интенсивности звуковой волны от частоты требуется специальный измеритель. Количественный эксперимент по явлению Доплера может быть обеспечен при использовании малоинерционного узкополосного частотомера. Дисперсию и поглощение волны можно изучать в акустической среде, состоящей из слоя воздуха перед открытыми отверстиями одинаковых резонаторов.

3. Предлагаемая система акустических экспериментов обеспечивает формирование эмпирического базиса волновой физики наиболее полным образом. Эксперименты с радиоволнами и светом подтверждают волновую природу электромагнитного излучения и позволяют изучить его специфические свойства.

Основные результаты исследования опубликованы в следующих работах автора:

1. Частотомер для демонстрации акустического эффекта Допплера/ Ред. журн. "Изв. вузов. Фюика". - Томск, 1989.- 11 с.-Деп. в ВИНИТИ 13.02.90, N 1280-В90. (В соавторстве с В.В.Майером).

2. Демонстрация акустического эффекта Допплера//Успехи физических наук. -1991.-N 3-е. 149- 153. (В соавторстве с В.В.Майером).

3. Измерение скорости звука импульсным методом: Учеб. руко-вод. / Глазовск. гос. пед. ин-т - Глазов, 1991:- 52 с. (В соавторстве с В.В.Майером).

4. Экспериментальное изучение зависимости скорости звука от температуры // Известия вузов. Физика. -1991. - N 7 - с. 116-118. (В соавторстве с В.В.Майером).

5. Формирование понятия "Явление Доплера" средствами учебного физического эксперимента // Научные понятия в современном учебном процессе школы и вуза / Челяб. гос. пед. нн-т.-Челябинск, 1993-е. 115. (В соавторстве с В.В.Майером и Е.С.Агафоновой).

6.Приборы для демонстрации эффекта Доплера //Радио.- 1994.-N 3.- С. 26 - 28. (В соавторстве с В.В.Майером).

7. Учебный эксперимент с цугами звуковых волн // Преподавание физики и астрономии в школе: состояние проблемы, перспективы: Тезисы докладов / Ннжегород. гос. пед. ин-т.-Нижний Новгород, 1994.-С. 55. (В соавторстве с В.В.Майером).

8. Содержание и структура понятия фундаментального физического эксперимента // Научные понятия в учебно - воспитательном процессе школы и вуза: Тезисы докладов. Т. КЧасть 1./Челяб. гос. пед. ин-т.-Челябцнск, 1994* - С. 52-53. (В соавторстве с В.В.Майером).

9. Система учебного физического эксперимента для формирования основных понятий волновой физики // Научные понятия в учебно-воспитательном процессе, школы и вуза: Тезисы докладов. Т. 1. Часть 2./ Челяб. гос. пед. ин-т.- Челябинск, 1994.-С. 148-149. (В соавторстве с В.В.Майером).

10. Лекционная демонстрация групповой скорости волны// Использование научно-технических достижений в демонстрационном эксперименте и в постановке лабораторных практикумов: Тезисы докладов / Мордовский гос. пед. ин-т.-Саранск, 1994.-С. 17. (В соавторстве с В.В.Майером). '

11. Лекционная демонстрация дисперсии волн // Использование научно-технических достижении в демонстрационном эксперименте и в постановке лабораторных практикумов: Тезисы докладов / Мордовский гос. пед. ин-т.- Саранск, 1994.-С. 20. (В соавторстве с В.В.Майером).

Сдано в набор 24.0-1.95. Подписано в печать 24.01.95. Формат 60x83/16. Бумага писчая 4. Печ. офсетная. Усл. печ. листов 1,05. Тираж 150 экз. Заказ 216. Отпечатано в Глазовской типографии Удмуртской Республики.