автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Преемственность в формировании квантовых представлений у учащихся общеобразовательной школы

Автореферат диссертации по теме "Преемственность в формировании квантовых представлений у учащихся общеобразовательной школы"

Г6 Ой

, ^ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

Институт общеобразовательной школы

На правах рукописи КАБАКАНОВА Сана Шалобаевна

ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ В ФОРМИРОВАНИЙ КВАНТОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ У УЧАЩИХСЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

13.00.02 - методика преподавания физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва, 1994

Работа выполнена в лаборатории физического образования Института общеобразовательной школы Российской Академии образования.

Научный руководитель: доктор педагогических наук, профессор

А.А.Пинский

Официальные оппоненты - доктор педагогических наук,

црофессор Р.Ю.Всдковыский

кандидат педагогических наук, доцент Н.С.Пурьшева

Ведущая организация - Республиканский институт повыпения

квалификации работников образования

Защита состоится 17 июня 1994 г. в 10 часов на заседании специализированного совета К018.06.04 в институте общеобразовательной школы Российской Академии образования по адресу: 119905, Москва, ул.Погодинская, д.8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

А.С.Лесневский

Актуальность проблемы. Закон об образовании в Российской Федерации определил в качестве основной, обязательной ступени в системе непрерывного образования для всех учащихся девятилетнюю школу. В старших классах предусмотрена глубокая дифференциация, обеспечиваемая, во-первых, выбором разных форм получения законченного среднего образования (Х-Х1 классы общеобразовательной школы, профессиональные учебные заведения, средние специальные учебные заведения) и, во-вторых, профилированием старших классов общеобразовательной школы (физико-математические, химико-биологические, гуманитарные и др.профили).

Основной целью общзго образования является всестороннее и гармоничное развитие человека.

В рамках общего образования В.С.Ледневым выделены два основных аспекта в реализации цели всестороннего гармонического развития личности:

а) социальный аспект, отражающий наиболее общие требования к общему образованию и его функции как социального института;

б) цели общего образования с точки зрения развития основных сторон личности, выделяемых в теории ее структуры*.

В определении содержания учебных предметов, изучаемых в школе, большую роль играет, несомненно, второй аспект, т.е. цель развития основных сторон личности. Во главе иерархической системы в структуре личности, как саше общие свойства личности, как ее ядро, стоят ценностная направленность, ее идеологическая позиция или ее мировоззрение.

Таким образом, в качестве высшей, всеохватывающей цели всестороннего развития личности рассматривается формирование именно этого ее ядра.

В условиях обязательности основной школы, курс физики в ней должен обеспечить достижение основной цели общего образования. Содержание курса физики должно быть таким, чтобы у учащихся, закончивших основную школу, сформировалось научное мировоззрение. Формирование научного мировоззрения на уроках физики основано на формировании представлений о естественнонаучной

х В.С.Леднев. Содержание образования. М.: Высшая школа, 1989.360 с.

картине мира, на глубоком раскрытии фундаментальных физических идей.

Естественнонаучная картина мира трактуется как обобщенная модель природы, зключаищая представления физической науки на данном этапе ее развития.

На современном уровне развития физики описание строения материи дает квантовая физика. В принципе квантовая механика в соединении со статистикой является исчерпывающей теоретической основой для описания строения вещества вплоть до атомного и субатомного уровня. Стационарное состояние, открытое квантовой механикой, есть основа строения вещества.

В связи с этим для формирования современных представлений о строении и свойствах материи у учащихся основной школы, в рамках которой часть учащихся закончит свое физическое образование, в курс физики на этой ступени обучения необходимо ввести . на первоначальном уровне некоторые фундаментальные квантовые идеи.

Существует серьезное противоречие между ведущей ролью квантовых идей в формировании научной картины мира и их полным отсутствием в курсе физики основной школы, где создается естественнонаучная база современного миропонимания. Существующий традиционно курс физики основной школы не позволяет также создать основы для курса химии в восьмых — девятых классах. Несомненно, современный курс химии должен строиться на основе квантово-ме-ханических идей и понятий, но это оказывается невозможным при традиционном построении курсов физики и химии в девятилетней школе.

' Проблемой нашего исследования является поиск путей преодоления сложившегося противоречия между ведущей ролью квантовых идей в современной науке и традиционным содержанием курса физики основной школы.-

Гипотеза исследования формулируется следующим образом: если на основе учебного эксперимента по наблюдению линейчатых спектров изложить дидактически обработанные положения теории Бора, то можно на доступном для девятиклассников уровне ознакомить их с одним из фундаментальных положений квантовой физики - дискретности энергии микросистем, в частности, атома. Это

позволит существенно обогатить представления учащихся основной школы о строении и свойствах окружающего нас мира, а такяе ознакомить их с одним из важных методов исследования в физике,химии и астрономии - спектральным анализом.

Предметом исследования является поиск путей доступного изложения основных квантовых идей в курсе физики девятилетней школы.

Цель исследования заключается в разработке содержания и методики эффективного изучения некоторых вопросов квантовой теории в курсе физики основной школы, а также проблема преемственного развития этих вопросов на старшей ступени обучения в школе.

Для достижения цели .исследования решались задачи;

1. Провести научно-методический анализ основных квантовых идей с целью отбора фундаментальных понятий и закономерностей для введения в курс физики основной школы.

2. Исследовать состояние методики преподавания основных положений квантовой физики в общеобразовательной школе.

3. Разработать содержание учебных материалов и эффективную методику для введения первоначальных квантовых представлений в курс физики основной школы.

4. Исследовать пути преемственного развития введенных в основной школе квантовых идей на старшей ступени общеобразовательной школы.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования заключается в том, что впервые обоснована необходимость и доказана доступность введения основных квантовых идей на первой ступени обучения физике. Новой является и предложенная возможность преемственного развития квантовых идей на старшей ступени обучения физике.

Практическая значимость исследования состоит в возможности применения разработанных учебных материалов в практике работы школ в настоящее время, когда еще нет учебников, в которых были бы изложены вопросы квантовой физики на первой ступени обучения. Внедрение их в практику позволит формировать понятия квантовой физики уже .в основной школе, что содействует формированию современной научной картины мира. Очерченные пути преемственного развития квантовых идей на старшей ступени обучения позволят

- б -

обеспечить более глубокое усвоение их учащимися старших классов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Изучение фундаментальных идей квантовой физики доступно для учащихся основной школы (9 класс).

2. Формирование квантовых представлений в основной школе целесообразно вести на основе использования теории Бора.

3. Знания по квантовой физике, полученные учащимися в основной школе, могут быть использованы для преемственного развития их на старшей ступени обучения.

В работе использовались традиционные методы педагогических исследований, в том числе анализ литературы по данному -вопросу, изучение опыта преподавания учителей, проведение наблюдений и педагогического рксперимента в школе с последующей обработкой, его результатов. ■ '

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений.

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и задачи, определены предмет и гипотеза исследования.

В первой главе рассматривается проблема введения квантовых идей в курс физики основной школы. На основе оценивания роли фундаментальных квантовых идей в эволюции научной картины мира устанавливается необходимость их введения в курс физики основной школы.

Проведен историко-методический анализ идейной эволюции нерелятивистской квантовой механики с целью отбора фундаментальных закономерностей для дидактической интерпретации в свете задач основной школы. В качестве фундаментальной идеи квантовой теории, способствующей формированию современной научной картины мира у учащихся основной школы и генерализации вопросов квантовой физики на старшей ступени обучения, выбрана идея дискретности энергетических состояний микросистем. Рассмотрено отражение квантовых идей в содержании физического образования общеобразовательной школы (программах, учебниках), а также в диссертационных исследованиях; установлен факт их позднего введения: лишь в конце курса выпускного класса средней школы.

В условиях обязательности среднего образования такое положение дел с изучением квантовых идей в общеобразовательной школе было допустимым. Теперь же, когда обязательной стала девятилетка, встает вопрос о необходимости введения квантовых идей в курс физики основной школы. В методике преподавания физики в общеобразовательной школе известны три пути изложения квантовых идей. Условно они названы вариантами Планка, Эйнштейна и Бора.

Путь Планка (1900 г.) исторически оправдан, но методически не является оптимальным по следующим причинам. Во-первых, невозможно реализовать опчтные обоснования данной идеи, поскольку в школе нет- возможности поставить реальный эксперимент с абсолютно черным излучателем. Ссылки на исторические эксперименты хотя и убедительны, но все же не образуют необходимую для данного возраста учащихся эмпирическую базу. Поэтому анализ идей Планка на данной ступени обучения невозможен, хотя полезна небольшая историческая справка.

Широко распространена методика введения квантовых представлений на основе идей А.Эйнштейна (1905 г.). Однако и этот путь представляется не очень удачным для учащихся основной школы.Дело в том, что здесь квантуется фактически переменное электромагнитное поле, а не вещество, и переход от квантов поля (фотонов) к энергетическим уровням атомов и других микросистем логически мало оправдан.

Наиболее приемлемым представляется путь формирования квантовых представлений на основе теории Бора по ряду причин:

Во-первых, здесь существует наглядная экспериментальная база - наблюдение линейчатых спектров некоторых газов. Для проведения этих опытов в школе имеется необходимое оборудование, что позволяет ознакомить учащихся с линейчатыми спектрами не только на фотографиях, но и путем их непосредственного наблюдения. Это создает необходимую эмпирическую базу для последующих теоретических обобщений.

Во-вторых, легко формулируется проблема, которая нуждается в теоретическом истолковании: почему возникают именно линейчатые спектры и почему у разных веществ эти спектры строго индивидуальны?

В-третьих, реализация идей Бора не требует применения сложного математического аппарата и может быть проведена в основном качественно.

Наконец, на этом пути существует возможность ввести учащихся в круг практических применений, а именно - качественный и количественный спектральный анализ в лабораторных условиях и в астрофизике..

Вторая глава посвящена разработке методики формирования квантовых представлений в основной школе на уроках физики в 9 классе. Предварительно обсуждаются некоторые особенности введения квантовых представлений на основе теории Бора в 9 классе основной школы.

Теория Бора дидактически адаптируется с учетом возможностей учащихся девятых классов:

1) два постулата Вора, являющиеся в настоящее время не постулатами, а следствиями более общей теории (квантовой механики) сохраняются вследствие их применимости к объяснению многих физических явлений (поглощение и излучение света, происхождение линейчатых спектров и т.д.);

2) теория атома водорода по Бору видоизменяется: правило квантования момента импульса заменяется квантованием энергетических уровней атома водорода по формуле Е ^ = -Е,

где Е0 = 13,6 эВ - энергия ионизации атома водорода, известная из опыта. Это позволяет получить желаемый результат - теоретический вывод экспериментально полученной формулы Бальмера без использования сложных математических выкладок, как это принято в традиционном изложении, не лишенном к тому же некоторых противоречий.

На основе принятой теоретической концепции строится методика изложения учебного материала. Квантовая идея дискретности энергетических уровней микросистем, в частности, атома, вводится в 9 классе, после рассмотрения в оптике спектрального разложения и линейчатых спектров. Изучение этого материала в основном осуществляется на трех уроках.

На первом уроке учащиеся наблюдают линейчатые спектры некоторых газов на фотографиях и с помощью газоразрядных трубок. На этой основе устанавливается дискретный характер спектров испус-

калия и поглощения веществ, находящихся в атомарном состоянии. .Особое внимание учащихся обращается на факт совпадения линий в спектрах испускания и поглощения одного и того же элемента. Из наблюдения индивидуальности линий в спектрах химических элементов учащиеся знакомятся с принципами и применением спектрального анализа.

На втором уроке детально исследуется спектр атома водорода (серия Бальмера). Приводится формула Бальмера и ведется подсчет значений частот и длин волн, соответствующих линиям водорода различных цветов в серии Бальмера. Обращается внимание на тот факт, что частоты (и длины волн) в формуле Бальмера определяются целыми числами, смысл которых предстоит выяснить.

На третьем уроке рассматривается теория Бора. Формулируются два постулата, вводится понятие кванта излучения. На основе второго постулата Бора объясняется причина совпадения линий испускания и поглощения в спектрах атомов. Вводится правило квантования энергетических уровней атома водорода. Разъясняется смысл отрицательного значения энергии электрона в атоме. Подстановкой ' значения энергии из правила квантования энергетических уровней в правило частот Бора демонстрируется справедливость теории Бора; выясняется физический смысл целых чисел в формуле Бальмера и механизм возникновения линейчатых спектров атома водорода.Для наглядного изображения возможных значений энергии атома водорода используется общеизвестная схема энергетических уровней. Указывается на ограниченность теории Бора.

Описанные три урока охватывают тот минимальный объем учебного материала, который должен быть изложен учителем и в основном усвоен всеми учащимися. Вместе с тем для учащихся, интересующихся физикой глубже, предложен дополнительный урок о самопроизвольном и вынужденном излучении и принципе действия лазера. Объем требований, предъявляемых к учащимся, отражен в вопросах и упражнениях к урокам.

Предложена система учебного физического эксперимента в виде 4 демонстраций спектров и двух лабораторных работ по практическому применению теории Бора - качественному и количественному спектральному анализу.

Для старшей ступени обучения физике очерчены пути преемственного развития квантовых представлений, сформированных в основной

школе на основе теории Вора. Поскольку старшая ступень общеобразовательной школы предполагается профильно дифференцированной, то в диссертации рассмотрены возможности расширения знаний по квантовой физике в классах гуманитарного профиля и углубления этих знаний в классах физико-математического профиля. Показано, как из знакомой ццеи дискретности значений энергетических уровней атома перейти к изучению других фундаментальных квантовых идей в классах гуманитарного профиля.

Описаны некоторые направления развития квантовых представлений в классах с углубленным изучением физики. В рекомендательном порядке рассмотрены проблемы получения принципа квантования из одномерного уравнения Шредингера; рассмотрен широкий спектр следствий из соотнсшения неопределенностей Гейзенберга, а именно: понятие о траектории электрона в электроннолучевой трубке и в атоме; возможность оценить энергию частицы, локализованной в области конечных размеров, оценить энергию нулевых колебаний и т.д.;

рассмотрены понятие импульса фотона и эффект Мёссбауэра как кажущаяся аномалия, якобы не согласованная с постулатами Бора,, рассмотрен опыт А.Ф.Иоффе и Н.И.Добронравова, как экспериментальная проверка едеи флуктуации фотонов.

Таким образом, адаптированная для основной школы теория Бора, является с одной стороны, необходимым фундаментом, на котором строятся современные представления о научной картине мира . в основной школе. С другой стороны, она служит достаточной основой для преемственного развития квантовых представлений на старшей ступени физике, где квантовые идеи занимают существенную часть курса.

В третьей главе обсуждаются организация и результаты педагогического эксперимента. Он проводился в средних школах Алма-Аты и Москвы в два этапа: первый - поисковый эксперимент - в 1991/1992 уч.году, и второй - обучающий эксперимент в 1992/1993 уч.году.

На первом этапе проверялась доступность содержания учебных материалов для учащихся. На втором этапе проверялась эффективность введения квантовой идеи дискретности энергии атомных систем на основе адаптированной теории Бора в 9 классе основной школы. Эта проверка осуществлялась в опытном цреподавании в РФШ

г.Алма-Аты (Республика Казахстан) и школе-комплексе № 548 г.Москвы. Им было охвачено 311 человек.

Для проверки эффективности предложенной методики в контрольную работу, проводившуюся в конце эксперимента, включались задания, требовашше для ответа владения изученными квантовыми представлениями на уровнях, воспроизведения и применения знаний в знакомой ситуации. Мы полагаем, что усвоение материала на первых двух уровнях может служить показателем доступности вводимых представлений. Ответы учащихся были подвергнуты поэлементному анализу по методике, описанной Р.Ф.Кривошаповой.

Эксперимент показал возможность введения представлений о дискретности энергетических уровней атомных систем в 9 классе основной школы. Была подтверждена эффективность введения квантовых представлений в 9 классе на основе теории Бора.

Эксперимент свидетельствует о доступности рассматриваемых квантовых представлений для учащихся этого возраста. Сравнение результатов усвоения квантовых представлений на основе адаптированной теории Бора учащимися девятых: классов с результатами усвоения этого же материала учащимися одиннадцатых классов, приведенными в исследованиях лаборатории физического образования Института общеобразовательной школы в течение ряда лет, свидетельствует о их примерной одинаковости. Это позволяет нам сделать еывод о доступности квантовых представлений, вводимых по разработанной нами методике, для учащихся девятых классов основной школы.

В итоге проведенного теоретического и экспериментального исследования получены следующие результаты:

1. Показано, что в условиях обязательности девятилетней школы необходимо введение некоторых квантовых' идей в курс физики на этой ступени обучения с целью формирования научного миропонимания у учащихся.

2. На основе анализа возможных вариантов введения квантовых вдей установлено, что наиболее приемлемым для основной школы является введение квантовых представлений на основе теории Бора в курсе физики девятого класса.

3. Теория Бора методически адаптирована для применения в девятом классе, исходя из возможностей учащихся данного возра-

ста, с одной стороны, и из соображений преемственного развития • основной вдеи на старшей ступени обучения, с другой.

их доступность в процессе опытного преподавания.

5. В ходе педагогического эксперимента доказана возможность формирования квантовых представлений на основе теории Бора в курсе физики основной школы.

6. Показано, что квантовые представления, введенные в курс физики основной школы, могут служить преемственной основой для их развития на старшей ступени обучения.

Основные положения диссертации опубликованы

I. Методические указания к введению квантовых ццей в курсе физики основной школы. - М., Ротапринт ИСШ РАО, 1992,

2. Линейчатые спектры и их происхождение. Спектральный анализ (Учебные материалы). М., Ротапринт ИСШ РАО, 1992. 10 с.

3. Квантовые вдеи в курсе физики основной школы. - В сб.: гуманизация обучения в процессе преподавания естественно-математических дисциплин. - М., 1992, с.38-40.

4. Об изучении квантов. - Приложение к журналу "Казахстан мектеби", 1992, № 5, с.36-39 (на казахском языке).

4. Разработано содержание учебных материалов и проверена

10 с.