автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Проблема экспериментального изучения волновых процессов

Автореферат диссертации по теме "Проблема экспериментального изучения волновых процессов"

На правах рукописи

ВАРАКСИНА Екатерина Ивановна

ПРОБЛЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ (НА ПРИМЕРЕ УПРУГИХ ВОЛН)

13.00.02 — теория и методика обучения и воспитания

(физика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва - 2009

003471889

Работа выполнена на кафедре физики и дидактики физики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко»

Научный руководитель: доктор педагогических наук,

профессор

Майер Валерий Вильгельмович

Официальные оппоненты: доктор педагогических наук,

профессор, действительный член Российской академии образования, Разумовский Василий Григорьевич

кандидат педагогических наук Демидова Марина Юрьевна

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный областной университет»

Защита состоится 18 июня 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 008.008.05 при Учреждении Российской академии образования «Институт содержания и методов обучения» по адресу: 119435, г.Москва, ул.Погодинская, д.8.

С диссертацией можно ознакомиться в филиале № 3 государственной научно-педагогической библиотеки имени К. Д. Ушин-ского при Российской академии образования.

Автореферат диссертации размещен на сайте института: http: //ismo.ioso.ru/.

Автореферат разослан 13 мая 2009 г.

Ученый секретарь ¿?

диссертационного совета / //ЪШ^Х^О^К-^ Т. А. Козлова

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей изучения физики в школе является развитие творческой личности с высоким уровнем мотивации дальнейшего самообразования, разносторонними познавательными интересами, глубокими знаниями и способностью пополнять их. Решение этой задачи невозможно без использования на уроках физики ярких и запоминающихся экспериментов, отражающих сущность изучаемых физических явлений. Физическая наука непрерывно развивается, ее достижения быстро меняют условия повседневной жизни и становятся доступными современным школьникам, поэтому вместе с этим процессом должна обновляться и совершенствоваться система учебного физического эксперимента. Непосредственно созданию нового учебного эксперимента по различным разделам курса физики, а также методике его использования в школе и вузе посвящены работы Е.С.Агафоновой, Р. В. Акатова, Я. Е. Амстиславского, JI. И. Анциферова, М. Н. Баш-катова, Э.В.Бурсиана, П.П.Головина, М.И.Гринбаума, Г.И.Жерехова, Б.С.Зворыкина, О.Ф.Кабардина, В.Ф.Колупаева, В.В.Майера, Р.В.Май-ера, Н. Я. Молоткова, Г. Г. Никифорова, Ю. Ф. Огородникова, Б. III. Перкаль-скиса, Р. В. Поля, А. Портиса, М. М. Терентьева, С. А. Хорошавина, Н. М. Ша-хмаева, Н. И. Шефера, В. Ф. Шилова и многих других исследователей.

Учебный физический эксперимент является основным средством решения важнейших дидактических проблем. Он в полной мере использовался в исследованиях Б.Т.Войцеховского, B.C.Данюшенкова, И.Я.Даниной,

B.Г.Разумовского, А.А.Синявиной, А.В.Усовой, Т.Н.Шамало, посвященных развитию познавательных интересов и творческих способностей учащихся, формированию физических понятий, умений и навыков, развитию познавательной активности школьников при обучении физике. Теоретические аспекты использования учебного физического эксперимента для развития самостоятельности учащихся при изучении школьного курса физики рассмотрены также в исследованиях Е. В.Оспенниковой. Методология учебного физического эксперимента исследована в работах Ю. А. Саурова. Проблемам отбора содержания обучения, его проектирования и вариативного построения в средней школе, тесно связанным с совершенствованием учебного физического эксперимента, посвящены работы П. В. Зуева, А. А. Шаповалова,

C. В. Бубликова.

Несмотря на то, что учебному физическому эксперименту в дидактике физики всегда уделялось значительное внимание, далеко не все темы школьного курса физики в должной степени обеспечены системами доказательных, современных и интересных школьникам опытов. Требования к школьному физическому эксперименту возрастают в связи с введением в программы темы «Научный метод познания». Изучение любой темы школьного курса физики согласно научному методу познания должно начинаться с наблюдения и исследования физических явлений, лишь после этого на основе экспериментальных фактов строятся модели явлений как средства познания их физической сущности. При изучении волновых процессов в механике фундаментальный эксперимент по наблюдению упругих волн практически отсутствует. Изучение волн в школе начинается с их моделей (бегущая волна на шнуре и на

пружине, волновая машина и т.д.). Волны на поверхности жидкости хотя и используются в школьном курсе физики, но они никак не создают образ упругих волн в средах. Между тем, в дальнейшем, в оптике волновые явления изучаются по аналогии с явлениями именно упругих волн в средах. Это приводит к непониманию школьниками сущности волновых явлений, незнанию основных закономерностей волнового движения, низкому уровню практических умений и снижению интереса к физике. Основа изучения волновых процессов закладывается при рассмотрении механических волн. Это объясняется тем, что именно механические волны позволяют создать наглядный зрительный образ волнового движения, опираясь на который впоследствии возможно формирование более глубокого понимания физики всех волновых процессов. Отсюда следует высокая значимость применения системы доказательного учебного физического эксперимента при изучении упругих волн в различных средах. Поэтому основным объектом нашего исследования является учебный физический эксперимент, обеспечивающий изучение упругих волн. Исследования проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами проведены Е.С.Агафоновой, Н.Л.Бронниковым, А.Р.Ген-нингом, В.Ф.Колупаевым, В.И.Краснюком, Б.Б.Кудрявцевым, В.В.Майе-ром, Р.В.Майером, Н.М.Маркосовой, А.С.Мельниковым, В.Ф.Ноздревым, А. С. Смагиным, В. И. Соломкиным, Н. М. ПГахмаевым. Однако не существует методики, обеспечивающей систематическое использование на уроках физики доказательного и эффектного учебного эксперимента, раскрывающего сущность явлений, связанных с упругими волнами. Необходимо создание такой методики изучения упругих волн, которая позволила бы экспериментально исследовать волновое движение, на опыте изучить основные характеристики волны, научиться их измерять, экспериментально проверить уравнение волны, убедиться в существовании основных волновых явлений и исследовать их, получить экспериментальное обоснование возможностей практического применения упругих волн. При этом следует учесть временные и материала ные возможности учителя и учащихся, обратить внимание на важность постановки индивидуального эксперимента, осуществить обучение школьников методу научного познания. Как уже говорилось, такая методика до настоящего времени не разработана, поэтому проблема экспериментального изучения упругих волн представляется весьма актуальной.

Проблема исследования заключается в преодолении противоречий:

• между требованиями Государственного стандарта, выражающими необходимость формирования творческой, способной к самообразованию личности, владеющей основами научного метода познания, и недостаточной разработанностью учебного физического эксперимента, предназначенного для организации реального процесса научного познания при изучении упругих волн в школе и вузе;

• между направленностью стандарта на деятельностный компонент образования, позволяющий повысить мотивацию обучения, в наибольшей степени реализовать способности, возможности и интересы ребенка, а также связанной с этим необходимостью обеспечения учебного процесса современными поучительными, интересными, простыми и эффектными опытами и недостаточной экспериментальной подготовленностью учителя, отсутстви-

ем как самих опытов, так и методических рекомендаций по их использованию на уроках физики при изучении упругих волн; • между обоснованной в дидактике физики многочисленными исследованиями необходимостью организации активной учебно-исследовательской деятельности учащихся, включающей самостоятельное изготовление приборов и выполнение эксперимента с ними, и имеющимися в распоряжении учителя физики методическими, материальными и временными ресурсами, не позволяющими организовать указанную деятельность при изучении упругих волн.

Объект исследования: учебный физический эксперимент в средней и высшей школе и его педагогическая эффективность.

Предмет исследования: учебный физический эксперимент для изучения упругих волн в курсах физики средней общеобразовательной и высшей педагогической школы на основе научного метода познания и деятельност-ного подхода к организации обучения.

Цель исследования: создание системы учебных опытов с ультразвуком низкой частоты и методики их использования при изучении упругих волн для повышения качества обучения школьников.

Гипотеза исследования: эффективность методики изучения упругих волн существенно повысится, если в основу этой методики положить учебный физический эксперимент с ультразвуком низкой частоты, так как: 1) введение всех основных понятий волнового движения будет опираться на доказательный, интересный, поучительный учебный физический эксперимент; 2) овладение учащимися основами научного метода познания станет возможным на уроках физики при изучении механических волн; 3) получит развитие индивидуальная самостоятельная учебно-исследовательская деятельность учащихся по исследованию волновых процессов в рамках элективного курса и на внеурочных занятиях.

Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.

1. Исследовать состояние процесса изучения волнового движения в школе; сопоставить основы реально осуществляемой методики изучения волновых процессов с современными положениями психологии и педагогики. Проанализировать современное состояние изучения упругих волн в средней школе и педагогическом вузе; изучить требования стандарта и примерных программ, содержание школьных и вузовских учебников по физике, физических практикумов и другой учебной и методической литературы, исследований, посвященных учебному физическому эксперименту с механическими волнами.

2. Осуществить теоретический анализ учебного физического эксперимента с упругими волнами и сформулировать основные проблемы его совершенствования.

3. Изучить проблему экспериментальной подготовленности студентов педагогического вуза; разработать методику осуществления экспериментальной подготовки на занятиях по физике и дидактике физики.

4. Разработать доступные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты; предложить систему учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Разработать методику при-

менения учебного физического эксперимента с упругими волнами на уроках физики при формировании основных понятий волнового движения. Создать методику использования ультразвука низкой частоты при организации учебного и научного познания; разработать программу и содержание элективного курса по изучению упругих волн.

5. Педагогическим экспериментом доказать возможность и целесообразность использования ультразвука низкой частоты при изучении явлений физики упругих волн в школе и вузе, а также для формирования экспериментальной подготовленности учащихся и организации деятельности студентов педагогического вуза по проектированию содержания учебных занятий.

При проведении исследования применялись следующие методы. Теоретические: 1) анализ нормативной, научной, методической, учебной литературы и диссертационных исследований по изучаемой проблеме; 2) изучение и анализ требований стандарта к уровню подготовки выпускников школ и педагогических вузов; 3) теоретический анализ учебного физического эксперимента с упругими волнами; 4) проектирование методик изучения упругих волн в курсах физики средней и высшей школы; экспериментальные: 5) опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; 6) разработка новых элементов учебного материала, включающих учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения; 7) проверка эффективности разработанных методик в педагогическом эксперименте; 8) внедрение результатов исследования в учебный процесс средней и высшей школы.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

1) выполнено дидактическое исследование учебного физического эксперимента с упругими волнами, которое позволило выявить и объяснить основные трудности изучения волновых процессов в школе и вузе, обосновать необходимость совершенствования экспериментального изучения упругих волн и привело к созданию новых опытов, их учебной теории и новой методики изучения упругих волн в школе и вузе;

2) доказаны возможность и целесообразность использования при изучении упругих волн учебных экспериментов с ультразвуком низкой частоты; создана методика, позволяющая это сделать, не нарушая сложившуюся логику и структуру учебного процесса по физике;

3) разработаны новые учебные эксперименты по изучению прямого маг-нитострикционного эффекта, по исследованию явления интерференции из-гибных волн при отражении от круглого края, по фокусировке изгибных волн при отражении от параболического, эллиптического и круглого краев пластинки, по наблюдению ультразвукового фонтана; усовершенствованы учебные эксперименты по изучению стоячей волны, нелинейных эффектов, практического применения ультразвука; разработана серия опытов по исследованию явления интерференции с доступными пьезоэлектрическими источниками звука и ультразвука;

4) разработаны новые учебные теории явления визуализации линий равных фаз, ультразвукового капиллярного эффекта, предложен простой способ оценки амплитуды колебаний вибратора магнитострикционного излучателя и простой вывод формул для радиационного давления упругой волны;

5) разработана методика проведения уроков по изучению упругих волн, на которых введение всех понятий опирается на доказательный интересный учащимся учебный физический эксперимент; разработана методика, позволяющая учащимся усвоить суть метода научного познания при изучении упругих волн; разработаны доступные конструкции приборов, которые могут использоваться в самостоятельной учебно-исследовательской деятельности учащихся, программа и содержание элективного курса.

Теоретическая значимость определяется тем, что в сфере дидактики физики

1) обосновано положение, что совершенствование учебного эксперимента с упругими волнами является основным средством повышения эффективности методики изучения волновых процессов;

2) теоретически обоснована необходимость совершенствования учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты с целью построения методики, обеспечивающей повышение качества обучения школьников;

3) определены содержание и структура понятия экспериментальной подготовленности учащихся и будущих учителей физики применительно к процессу изучения упругих волн в средней и высшей школе.

Практическая значимость состоит в следующем:

1) разработаны конструкция и технология изготовления учебного ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя низкой частоты, которые доступны для учителя и учащихся, а значит, могут быть использованы в учебном процессе;

2) созданы эксперименты и их теории, которые можно непосредственно применять на учебных занятиях и в учебно-исследовательской деятельности учащихся при изучении механических волн и акустики для организации научного познания;

3) предложена модель урока «Звуковые волны», в которой на основе учебного физического эксперимента формируется понятие волны; на основе нового учебного физического эксперимента создана методика изучения интерференции волн; предложена методика экспериментального изучения звуковой волны в воздухе, позволяющая серией демонстрационных экспериментов обосновать справедливость уравнения гармонической волны и тем самым доказать факт существования гармонических упругих волн; разработана методика применения нового учебного эксперимента в лабораторном практикуме по дидактике физики в педагогическом вузе; предложен элективный курс по изучению упругих волн, предназначенный для учащихся средней школы;

4) разработаны содержание и методика лекционных и лабораторных занятий, обеспечивающих изучение физики упругих волн на основе ультразвука низкой частоты в рамках курса общей и экспериментальной физики.

Методологическую основу исследования составляют концепция учебной физики (В.В.Майер), концепция формирования физических понятий (А.В.Усова, Т.Н.Шамало), концепция учебного и научного познания в обучении физике (В. Г. Разумовский, В. В. Майер), идеи организации деятельности при обучении физике (Ю. А. Сауров), системный подход в обучении физике (В.С.Данюшенков).

Достоверность и обоснованность результатов исследования определяется опорой на фундаментальные положения дидактики физики; научным анализом проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами; экспериментальным доказательством возможности и целесообразности применения ультразвука низкой частоты при изучении упругих волн; личным опытом учебной работы соискателя по теме исследования; положительными результатами реально организованного учебного процесса по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в школах города Глазова, на физических факультетах ГОУ ВПО «Глазов-ский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко», ГОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет» и «Уральский государственный педагогический университет», на семинаре учителей физики северного куста Удмуртской Республики на базе Республиканской очно-заочной школы при МОУ «Физико-математический лицей» г.Глазова. Полученные результаты обсуждались на заседаниях научного семинара физического факультета Глазовского педагогического института (2003-2009 гг.), республиканской научно-теоретической конференции «Модели и моделирование в методике обучения физике» в Кирове (2004 г.), на Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики» в Екатеринбурге (2005 г.), республиканской научно-практической конференции в «Настоящее и будущее физико-математического образования» в Кирове (2008 г.), V Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» в Екатеринбурге (2008 г.), 1Х-Х1У научно-практических Всероссийских конференциях «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения» в Глазове (2004-2009 гг.), заседании диссертационного совета КМ 212.041.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вятский государственный гуманитарный университет» (2006 г., единогласное положительное решение по результатам защиты диссертации «Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты», 10 положительных отзывов на автореферат). Основные результаты исследования представлены в 42 публикациях автора.

Положения, выносимые на защиту.

1. Низкий уровень освоения учащимися основ физики волновых процессов объясняется отсутствием доказательного учебного физического эксперимента при изучении упругих волн. Для решения проблемы экспериментального изучения упругих волн необходимо и достаточно применение учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты.

2. Разработанные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты делают приборы доступными школьнику и учителю физики и могут применяться на уроках физики и во внеурочной работе.

3. Разработанный учебный физический эксперимент и методика позволяют построить процесс изучения механических волн так, что введение всех

основных понятий волнового движения будет опираться на доказательный, интересный, поучительный учебный физический эксперимент.

4. Созданный или усовершенствованный учебный физический эксперимент может служить основой организации процесса научного познания учащихся при изучении механических волн на традиционных уроках, индивидуальной самостоятельной учебно-исследовательской деятельности учащихся на внеурочных занятиях и в элективном курсе по изучению упругих волн.

Логика исследования включает следующие этапы.

Первый этап (2003-2004 гг.) связан с постановкой проблемы исследования. Разработаны конструкции и технологии изготовления ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя низкой частоты. Проведен педагогический эксперимент по проверке доступности изготовления этих приборов учащимися. Разработана учебная теория ультразвукового капиллярного эффекта. Изготовлены 19 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.

Второй этап (2004-2005 гг.) посвящен изучению существующего учебного физического эксперимента и учебной теории, анализу научной и учебно-методической литературы, совершенствованию учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Исследовано явление визуализации линий равных фаз на поверхности тонкой упругой пластинки, разработана методика экспериментального изучения упругой волны в воздухе. Разработана программа элективного курса. Проведен педагогический эксперимент по изучению возможности проектирования студентами содержания учебного занятия. Осуществлено руководство 10 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 6 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.

Третий этап (2005-2006 гг.) определяется организацией изучения упругих волн в курсе экспериментальной физики, в процессе которого предпринято дальнейшее исследование учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Создана авторская методика изучения упругих волн в школе. Разработан и проведен масштабный педагогический эксперимент в школе. Проведенное дидактическое исследование учебного физического эксперимента изложено в соответствии с логикой научного познания. Осуществлено руководство 19 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 22 комплекта приборов для опытов с ультразвуком.

Четвертый этап (2006-2009 гг.) включал работу по дальнейшему совершенствованию методики применения учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты при изучении упругих волн. Опубликована серия статей для школьников в журнале «Потенциал», разработаны конкретные модели школьных уроков, предложены новые методики использования учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты в педагогическом вузе. Исследовалась профессиональная подготовка будущих учителей физики к изучению механических волн в школе. Создавался и совершенствовался учебный эксперимент по механическим колебаниям и волнам. Осуществлено руководство 40 учебно-исследовательскими работами студентов, из которых 26 посвящены методике изучения механических волн. Изготовлены 32 комплекта приборов для опытов с ультразвуком. Начата работа по созданию и совершенствованию современного учебного эксперимента с ультразвуком высокой частоты и

с волнами звукового диапазона. Проводились исследования профессиональной подготовки студентов при выполнении курсовых работ и оценке экспериментальной подготовленности будущих учителей физики.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии и приложений. Общий объем основного текста диссертации 230 страниц, приложений 50 страниц, она содержит 14 таблиц, 46 рисунков в основном тексте и 32 в приложениях. Библиографический список содержит 266 источников литературы, в том числе 7 на иностранном языке.

Во введении обосновывается актуальность исследования, определяются объект, предмет и цель исследования, формулируются гипотеза, задачи и методы исследования, раскрываются научная новизна, теоретическая и практическая значимость, указываются методологическая основа, достоверность и обоснованность исследования, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Теоретическое обоснование необходимости совершенствования учебного физического эксперимента с упругими волнами» с опорой на психолого-педагогические исследования доказана актуальность проблемы экспериментального изучения волновых процессов, выполнен анализ существующей системы изучения основ физики упругих волн в средней школе и педагогическом вузе, известного учебного физического эксперимента с упругими волнами. Рассмотрены пути решения проблемы экспериментального изучения упругих волн и обоснована необходимость совершенствования профессиональной подготовки будущих учителей физики к процессу изучения упругих волн в школе.

Первый параграф <гПсихолого-педагогические предпосылки совершенствования методики изучения волновых процессов в школе» содержит сопоставление реально осуществляемой методики изучения волновых процессов с общепринятыми идеями психологии и педагогики.

Волновые процессы в школьном курсе физики рассматриваются при изучении механики (механические колебания и волны), электродинамики (электромагнитные колебания и волны, оптика) и квантовой физики (корпускулярно-волновой дуализм). Логика изучения волновых процессов в школе предполагает формирование наглядного образа волны и волновых явлений на примере волн на поверхности воды без рассмотрения механизма образования этих волн. Далее при изучении других видов волн: упругих (звуковых) волн, электромагнитных радиоволн и волновой оптики учащиеся используют наглядный образ волн на поверхности воды.

При анализе традиционного обучения основам физики волновых процессов мы опирались, в первую очередь, на идеи теории развивающего обучения В.В.Давыдова. Для изучения возможностей психического развития школьников при обучении, повышения мотивации и познавательных умений использовались работы психологов Е.П.Ильина, Е.Н.Кабановой-Меллер, А.К.Марковой, Н.А.Менчинской, Р.С.Немова. Процесс развития учебной деятельности, активности и интереса учащихся при изуче-

нии волнового движения изучен с точки зрения исследований педагогов Л. П. Аристовой, Ю. К. Бабанского, Л. В. Жаровой, Л. Я. Зориной, И. Я. Лер-нера, Г. И. Щукиной. Дидактические требования к логике экспериментального изучения волновых процессов проанализированы с опорой на работы методистов Г. Г, Никифорова, Н. М. Шахмаева, В. Ф. Шилова и др. В качестве итога обучения школьников основам физики волновых процессов проанализированы данные о результатах ЕГЭ (по данным газеты «Физика»), которые отражают фактические знания учащихся. Эти данные свидетельствуют о том, что учащиеся испытывают затруднения при выполнении заданий, касающихся механических волн, электромагнитных волн, волновой оптики и волновых представлений квантовой физики. Указанные группы заданий представляются наиболее сложными для них по сравнению с другими.

Таким образом, сопоставление психолого-педагогических требований и методики изучения волн в школе показало, что: 1) содержание обучения физике волновых процессов не в полной мере удовлетворяет принципам теории развивающего обучения; 2) при изучении волн разной природы часть общепринятых дидактических принципов реализуется в недостаточной степени; 3) системное представление знаний учащихся о волнах оказывается нес-формированным; 4) не реализуются полностью возможности психического развития школьников. Это приводит к тому, что выпускники средней школы показывают неудовлетворительные фактические знания закономерностей волнового движения, относящихся к механике, электродинамике и квантовой физике. Поскольку фундамент изучения волновых процессов закладывается при изучении механических волн, можно предположить, что совершенствование методики изучения упругих волн в школе приведет к более глубокому усвоению учащимися физической сущности волновых явлений электродинамики, оптики и корпускулярно-волнового дуализма квантовой физики. При этом проблема заключается в совершенствовании в первую очередь экспериментального изучения механических волн, так как именно учебный эксперимент позволяет в полном объеме реализовать современные психолого-педагогические требования к учебному процессу.

Во втором параграфе «Содержание и методика изучения упругих волн в средней общеобразовательной и высшей педагогической школе» проанализированы требования стандарта, программ, содержание учебников для основной школы, для гуманитарных, общеобразовательных классов и классов с углубленным изучением физики старшей школы, дидактические материалы, научно-популярная и дополнительная литература для школьников, вузовские учебники и практикумы, а также методические работы, посвященные учебному физическому эксперименту.

Формирование в школьном курсе большей части понятий, касающихся волнового движения, не обеспечено доказательным учебным физическим экспериментом. В практикумах описаны несколько лабораторных работ, но в реальности они не используются, поэтому самостоятельный эксперимент с механическими волнами в школе отсутствует.

Учебный физический эксперимент с упругими волнами включает эксперимент по акустике и ультраакустике (ультразвук низкой, высокой частоты и ультразвуковые импульсы). В 90-е годы создана современная система учеб-

ного эксперимента по акустике, позволяющая изучить все основные волновые явления физики упругих волн; в настоящее время в школе она практически не используется. Система учебного эксперимента с ультразвуком характеризуется следующим состоянием. В 1950-1970 годы были написаны книги, предназначенные учителям физики и учащимся, в которых предлагались приборы и опыты с ультразвуком. Учебному эксперименту с ультразвуковыми колебаниями и волнами посвящены несколько кандидатских диссертаций, защищенных в 1960-1970 годы. Начиная с конца 70-х годов интерес методистов к проблемам ультраакустики снижается. Таким образом, создано учебное оборудование и построена система учебного эксперимента с ультразвуком. Однако в школе она не используется. На практике обучение физике упругих волн происходит на основе моделей: волновой машины, волн в пружине и шнуре.

Согласно концепции научного познания при изучении физики, модели, демонстрируемые в школьном курсе, не должны заменять эксперимент с реальными упругими волнами (В.Г.Разумовский). Недостаточное использование акустического эксперимента можно объяснить так: 1) для большинства опытов требуется довольно громкий звук; 2) многие опыты со звуком, несмотря на большое познавательное значение, не являются эффектными и не представляют интереса для учащихся; 3) индивидуальный акустический эксперимент не разработан; 4) приборы промышленного изготовления для опытов по акустике в школе в настоящее время отсутствуют, а для самостоятельного изготовления они недоступны; 5) разраборанный ранее акустический эксперимент требует высокой экспериментальной подготовленности учителя физики.

Учитывая эти недостатки акустического эксперимента, мы задались вопросом: нельзя ли вместо опытов со звуком для формирования основных понятий волнового движения использовать опыты с ультразвуком? Анализ системы ультраакустического эксперимента показывает, что этому препятствуют следующие обстоятельства: 1) основное внимание разработчиками уделялось не тем явлениям, которые объединяют ультразвук с другими видами упругих волн, а тем, которые отличают его от звука, являются специфическими; 2) многие свойства и явления ультраакустики не изучаются в школе; 3) эксперимент нельзя считать безопасным, поскольку в большинстве случаев предлагаемые авторами приборы требуют высокого напряжения и сетевого источника питания; 4) конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука сложны и не могут быть широко использованы в самостоятельном, а тем более домашнем эксперименте; 5) ряд электронных компонентов устарел и в настоящее время не выпускается промышленностью (радиолампы, конденсаторы переменной емкости, силовые трансформаторы).

Изучение литературы позволило высказать предположение, что часть недостатков учебного ультраакустического эксперимента будет снята, если в основу методики изучения упругих волн положить учебный эксперимент с ультразвуком низкой частоты. Дело в том, что по своим физическим свойствам ультразвук низкой частоты практически не отличается от звука высокой частоты, а опыты с ним вызывают большой интерес учащихся. Следовательно, если в результате дидактического исследования будет показано, что: 1) приборы и экспериментальные установки для постановки учебных опытов

доступны для учителя и учащихся, 2) учебная теория объясняет результаты всех учебных опытов, 3) учебный эксперимент подтверждает все следствия учебной теории, то ультразвук низкой частоты действительно может быть положен в основу методики изучения упругих волн. Мы выделили ряд конкретных проблем, решение которых необходимо в рамках нашего диссертационного исследования (соответствующие проблемы раскрыты в основном тексте диссертации, а их решение изложено преимущественно в приложениях). Кратко перечислим полученные результаты.

1. Разработаны учебный физический эксперимент и методика его использования для введения основных характеристик гармонической упругой волны и экспериментального обоснования уравнения гармонической волны.

2. Разработаны доступные конструкции приборов для получения ультразвука низкой частоты, которые за несколько часов могут быть изготовлены учащимися или учителем.

3. Разработаны доступные варианты опытов по наблюдению и количественному исследованию явления магнитострикции, которое в школе никогда раньше, насколько нам известно, в демонстрационном, а тем более домашнем, варианте не исследовалось. Эти опыты дают возможность в простых условиях количественно изучить очень тонкое явление и получить результат, близкий к табличному.

4. Исследование простых опытов по резонансному возбуждению вибратора магнитострикционного излучателя показало, что их можно использовать для оценки амплитуды колебаний магнитострикционного излучателя. Предложены способы оценки: по высоте подскока стального шарика и посредством ультразвукового движителя.

5. Созданы новые опыты по изучению интерференции изгибных волн при отражении от края пластинки. Рассмотренные эксперименты могут быть использованы в физическом практикуме старшей школы. Они позволяют организовать учебно-исследовательскую деятельность школьников, поскольку обеспечивают вариативность опытов. В педагогическом вузе эти опыты составят основу курсовых и дипломных работ.

6. Создана новая учебная теория явления визуализации линий равных фаз, которая объясняет результаты эксперимента и допускает следствия, полностью подтверждающиеся учебным физическим экспериментом.

7. Рассмотрена возможность использования изгибных волн при изучении основных волновых явлений: преломления, рассеяния, отражения, волновод-ного распространения, интерференции, стоячей волны в пластинках.

8. Разработаны опыты по фокусировке изгибных волн при отражении от эллиптического, параболического, круглого края упругой тонкой пластинки. Описанные опыты по фокусировке изгибных волн можно использовать на уроке при изучении отражения и интерференции механических волн. Наибольшее значение эти опыты будут иметь при изучении оптики, потому что они позволяют пронаблюдать и исследовать явления, которые не удастся продемонстрировать со световыми волнами.

9. Решена проблема постановки эксперимента по наблюдению ультразвукового фонтана на низкой частоте. Приведен простой вывод формул для радиационного давления на границу раздела сред.

10. Описаны усовершенствованные варианты опытов по визуализации стоячей волны в воздухе слоем жидкости и вертикально расположенными жидкостными перегородками. Проведено дидактическое исследование ультразвукового интерферометра, собранного по мостовой схеме.

11. Разработаны несколько демонстрационных вариантов опытов по изучению нелинейных эффектов. Разработана учебная теория ультразвукового капиллярного эффекта.

12. Усовершенствованы несколько опытов по практическому применению ультразвука: по наблюдению образования аэрозоля, горючей смеси, коагуляции, сверлению.

В третьем параграфе «Экспериментальная подготовленность учителя физики как определяющий фактор совершенствования процесса изучения упругих волн» показано, что успешность учебного процесса по изучению упругих волн определяется не только разработанностью учебного эксперимента, но и методической подготовкой учителя. В системе методической подготовки выделены экспериментальная подготовка и подготовка к проектированию содержания учебного занятия как наиболее значимые с точки зрения использования в обучении учебного эксперимента и его совершенствования. Определен термин экспериментальная подготовленность как ведущая компетенция учителя физики, включающая следующие взаимосвязанные и примерно равнозначимые компоненты: 1) глубокое осознание роли физического эксперимента в научном познании (знание о неразрывном единстве теории и эксперимента, представления о теоретическом объяснении экспериментальных фактов, экспериментальной проверке следствий теории); 2) развитый интерес к учебному физическому эксперименту (к демонстрационным, лабораторным и выполняемым самостоятельно экспериментам); 3) сформированные экспериментальные умения (умения постановки школьных демонстрационных и лабораторных опытов и умения, необходимые при освоении нового учебного эксперимента). Рассмотрены проблемы совершенствования лабораторного практикума по дидактике физики и по экспериментальной физике с целью подготовки учителя физики к использованию в обучении субъективно и объективно новых учебных экспериментов.

Вторая глава «Учебный физический эксперимент как основное средство совершенствования методики изучения упругих волн» посвящена системе учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты и использованию этой системы для повышения эффективности методики изучения упругих волн в школе.

В первом параграфе «Система учебного физического эксперимента с упругими волнами» рассмотрен комплект приборов для учебного физического эксперимента с упругими волнами. Проведенное исследование показало, что традиционное оборудование для акустического эксперимента в принципе достаточно дополнить только одним прибором — магнитострикционным излучателем ультразвука низкой частоты с ферритовым вибратором (рис. 1). Однако, имея в виду необходимость организации в школе самостоятельной экспериментальной деятельности учащихся, следует добавить в список дополнительного оборудования еще и ультразвуковой генератор. Рассмотре-

ны конструкция и технология изготовления ультразвукового генератора, который может быть использован в индивидуальном эксперименте учащихся. Несмотря на исключительную простоту принципиальной схемы и конструкции (рис. 2), предлагаемый ультразвуковой генератор при питании от батареи гальванических элементов обеспечивает получение ультразвука предельной для ферритовых вибраторов интенсивности.

Предложена система из 117 учебных опытов с упругими волнами, включающая следующие подсистемы: свободные колебания стержней, автоколебания стержня, пьезоэлектрические преобразователи, волна вдоль пружины, компьютерные модели волны, экспериментальное исследование звуковой волны в воздухе, магнитострикционный излучатель упругой волны, нелинейные явления, радиационное давление, стоячая ультразвуковая волна в воздухе, стоячая ультразвуковая волна в жидкости, волны в упругих пластинках, ос-I новные волновые явления, ультразвуковая кавитация, практическое применение ультразвука.

Даны рекомендации относительно использования опытов с ультразвуком низкой частоты на уроках физики при углубленном изучении физики, в общеобразовательных классах и классах с гуманитарным уклоном.

Во втором параграфе «Совершенствование методики проведения уроков физики на основе использования учебного эксперимента с упругими волнами» раскрыто содержание уроков, посвященных изучению механических волн в школе. Предлагаются конкретные методики изучения наиболее значимых вопросов физики упругих волн, относящихся к школьному курсу. Они включают не только новый учебный эксперимент, но и новые учебные теории. Разработанные методики, несмотря на их конкретность, носят модельный характер и обеспечивают построение на их основе различных форм школьных уроков физики и внеурочных занятий учащихся.

Урок «Звуковые волны» предполагает вместе с учащимися исследовать упругие волны на примере звуковых волн высокой частоты; изучить метод стоячей волны; познакомиться с видами упругих волн; измерить длины волн и вычислить скорости звука в разных средах. На основе эффектных экспериментов по резонансному возбуждению вибратора магнитострикционно-

го излучателя формируют представление о колебаниях источника звуковой > волны. С помощью компьютерной программы учащимся объясняют процесс | образования стоячей волны, поскольку именно стоячая волна может быть наиболее просто визуализирована. После этого исследуют стоячую волну в[ воздухе, в жидкости, в твердой пластинке и стержне. Измеряют длины волн и вычисляют их скорости. !

Урок по исследованию интерференции механических волн предназначен для>г экспериментального исследования механических волн в упругой пластинке! от одного и двух источников, введения и формирования понятия интерференции механических волн, обоснования условий максимумов и минимумов I интенсивности, введения понятия контрастности интерференционной картины, исследования когерентности механических волн. Для демонстрационного эксперимента на уроке могут быть использованы как магнитострикционные (рис. 3), так и пьезоэлектрические (рис. 4) излучатели упругих волн.

Методика экспериментального исследования упругой волны в воздухе предусматривает получение осциллограммы звуковой волны, экспериментальное обоснование существования гармонической звуковой волны, исследование интенсивности и частотного диапазона звука, обнаружение временной и пространственной периодичности изменения звукового давления в волне, распространение колебаний звукового давления в среде, гармоническое распределение звукового давления в среде, определение фазовой скорости звука.

Третий параграф «Учебный эксперимент с упругими волнами как средство организации научного познания» посвящен исследованию проблемы применения учебного физического эксперимента с упругими волнами в качестве основного дидактического средства организации самостоятельной познавательной деятельности учащихся творческого характера.

Рассмотрено явление визуализации линий равных фаз (рис. 5) в теоретическом и экспериментальном циклах познания. Предложена учебная теория этого явления, базирующаяся на экспериментально полученных фактах и приводящая к следствиям, допускающим экспериментальную проверку. В основу теории положено предположение о распространении от наклонно расположенного вибратора двух видов волн, одна из которых является опорной.

Разработана учебная теория интересного для школьников явления — ультразвукового капиллярного эффекта. Предложен эксперимент для проверки следствий теории. Учебная теория опирается на следующее предположение.

Вблизи вибратора в фазе разрежения ультразвуковой волны возникают и растут кавитационные пузырьки. При этом жидкость вытесняется из области кавитации во все стороны и, если рядом расположено отверстие капилляра, вталкивается в него. Из этой модели следует, что жидкость должна заполнять трубку с постоянной скоростью. Для экспериментального обоснования этого следствия используют трубку, расположенную горизонтально.

Завершается параграф разработанной нами программой элективного курса, предназначенного для изучения основ физики упругих волн с целью развития, главным образом, исследовательских умений учащихся.

В третьей главе «Педагогический эксперимент в средней и высшей школе» описан педагогический эксперимент и выполнена статистическая обработка его результатов.

В первом параграфе «Обоснование возможности и целесообразности применения учебного эксперимента при изучении основ физики упругих волн в школе» показано, что целесообразна организация целостного процесса обучения физике упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты как в школе, так и в вузе.

Проведена серия уроков, факультативных и внеурочных занятий по изучению механических волн в школе (357 школьников и 11 студентов, 2004-2009 'гг.). К ним относятся следующие учебные занятия: несколько уроков по формированию основных понятий волнового движения, урок по формированию понятия гармонической волны, урок по изучению основных волновых явлений, урок по изучению звуковых волн, урок по изучению явления интерференции механических волн, обобщающий урок по теме «Механические волны. Акустика», самостоятельное выполнение учащимися эксперимента с ультразвуком низкой частоты в рамках лабораторного практикума, факультативное занятие по изучению специфических свойств ультразвука (нелинейных эффектов, кавитации), факультативное занятие по изучению источников упругих волн, факультативное занятие по изучению практического применения ультразвука, изготовление школьниками ультразвуковых генераторов и из-

Рис.5

лучателей в рамках внеурочной деятельности и другие. Обнаружен высокш дидактический эффект от использования разработанной нами методики.

Методом наблюдения, устных и письменных опросов учащихся выяснено что применение разработанной нами методики целесообразно и эффектив но: 1) при формировании основных понятий волнового движения на урок-физики; 2) при формировании интереса, развитии умений учащихся во вн урочной деятельности; 3) при осуществлении учебно-исследовательской ра боты учащихся по изготовлению приборов и экспериментальных установок Эта методика может быть реализована любым учителем физики, поскольку соответствии с ней проводились занятия студентами, которые сами их проек тировали и изготавливали все необходимое для эксперимента оборудование. Наиболее значимые критерии эффективности новой методики по сравнени с традиционной и свидетельствующие о их выполнении результаты педагоги ческого эксперимента в школе кратко представлены в табл. 1.

Организован целостный курс экспериментальной физики, включающий лекции и лабораторные занятия, в котором физика упругих волн изучается с использованием упругих волн ультразвукового диапазона низкой частоты (90 студентов, 2005-2008 гг.). Показана эффективность методики для формирования экспериментальной подготовленности и фактических знаний учащихся.

Во втором параграфе «Оценка доступности технологии изготовленг учебных приборов для опытов с упругими волнами» обосновано, что приборы для эксперимента с ультразвуком низкой частоты доступны для изготовления учителю и учащимся (25 школьников, 29 студентов, 2003-2009 гг.). Это положение предварительно было доказано в рамках экзамена по экспериментальной физике (17 студентов, 2003 г.). Студентам выдано необходимое оборудование, подробная инструкция по изготовлению приборов, куда входят принципиальная и монтажная схемы генератора, словесный алгоритм изготовления приборов. Время, затраченное большинством студентов на изготовление излучателя и генератора, составило от 5 до 7 часов. На завершающем этапе эксперимента ультразвуковой генератор и магнитострикционный излучатель изготавливали школьники под руководством студентов в школьном физическом кабинете и в домашних условиях. Педагогический эксперимент показал, что любой учащийся при желании сможет собрать разработанное нами учебное оборудование в течение одного учебного дня.

В третьем параграфе «Использование учебного эксперимента с упругими волнами для повышения уровня экспериментальной подготовленности студентов» приведены результаты проверки возможности повышения ведущей компетентности учителя физики при использования эксперимента с упругими волнами (90 студентов, 2005-2008 гг.). В рамках занятий по экспериментальной физике был проведен лабораторный практикум, предусматривающий самостоятельное выполнение студентами учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты (36 студентов, 2005 г.) Студентами было выполнено 10 лабораторных работ. Произведена оценка уровня экспериментальной подготовленности студентов, прошедших обучение в соответствии с разработанной методикой, выявлена вполне удовлетворительная экспериментальная подготовленность.

Таблица 1

Экспериментальное подтверждение эффективности разработанной

методики в педагогическом эксперименте

Критерий эффективности методики Результат педагогического эксперимента, наиболее убедительно подтвердивший выполнение этого критерия

1. Связь формируемых физических понятий с реальными объектами физического мира. В каждом из проведенных уроков понятия вводились и формировались на основе наблюдения и исследования реального объекта или явления: 1) понятие волны и ее характерных свойств формировалось при непосредственной визуализации бегущей волны в пластинке; 2) уравнение гармонической волны вводилось применительно к реальной звуковой волне; 3) соотношение между частотой, скоростью и длиной волны вводилось в деятельности по измерению этих характеристик для волн, распространяющихся в твердых, жидких и газообразных средах; 4) понятие интерференции формировалось в деятельности, предполагающей создание когерентных источников, измерение разности хода, получение и исследование различных интерференционных картин. 165 школьников

2. Глубокое понимание школьниками сущности изучаемых физических явлений. Обнаружено понимание школьниками: 1) сущности явления излучения звуковых волн; 2) процесса распространения звуковой волны в воздухе; 3) отражения, интерференции, дифракции и других волновых явлений. 120 школьников

3. Повышение интереса учащихся к изучаемым явлениям средствами учебного физического эксперимента. На всех проведенных уроках отмечалась повышенная познавательная активность учащихся по сравнению с обычными уроками. Школьники указывали на интересность опытов, их неожиданный результат. Условия и результаты опытов надолго оставались в памяти учащихся. 86 школьников

4. Возможность проведения доказательной проверки экспериментом следствий теории. В явном виде эта возможность проверена на уроках: 1) при экспериментальном обосновании уравнения гармонической волны; 2) при экспериментальном исследовании упругой волны в пластинке. 74 школьника

5. Использование интересных физических явлений, побуждающих учащихся к нахождению теоретического объяснения. Такие ситуации были успешно созданы на многих уроках: 1) при рассмотрении практического применения ультразвука; 2) при изучении специфических свойств ультразвука, в частности ультразвукового капиллярного эффекта; 3) при наблюдениях явлений визуализации волн в пластинках и других средах. 182 школьника

6. Доступность учебного оборудования для изготовления учащимися. Школьниками были изготовлены приборы: 1) в рамках практикума; 2) во внеурочной работе под руководством учителя; 3) по собственному желанию после проведенного занятия с использованием учебного физического эксперимента с ультразвуком низкой частоты. 25 школьников

7. Возможность организации индивидуальной экспериментальной деятельности учащихся. В процессе индивидуальной деятельности школьники на уроках выполняли: 1) количественное исследование интерференции волн; 2) качественное исследование характерных явлений ультраакустики. 76 школьников

Показано, что возможна организация элективного курса по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты, поскольку студентам педагогического вуза доступны проектирование и подготовка его занятий (36 студентов, 2004 г.). Доказано, что студенты прошедшие подготовку по раз-

работанной методике, могут спроектировать урок по изучению механически волн и акустики в школе с применением учебного физического эксперимент с упругими волнами (36 студентов, 2005 г.). Доказано, что учебный зкспери мент с ультразвуком низкой частоты может быть эффективно использова1 в научно-исследовательской деятельности учащихся, при выполнении курс вых и дипломных работ (29 студентов, 2004-2008 гг.).

Всего в педагогическом эксперименте приняли участие 357 школьнико из 5 школ г. Глазова и 220 студентов педагогических вузов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование показало, что проблема экспериментального изучения основ физики волновых процессов будет решена, если разработать систему доказательного, эффектного, интересного для учащихся учебного физического эксперимента с упругими волнами. Последнее возможно при использовании учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Он позволяет построить процесс изучения механических волн так, что введение всех основных понятий волнового движения опирается на доказательный, интересный, поучительный учебный физический эксперимент; организовать реальный процесс научного познания учащихся при изучении механических волн на традиционных уроках; организовать индивидуальную самостоятельную учебно-исследовательскую деятельность учащихся на внеурочных занятиях и в рамках элективного курса по изучению упругих волн. При выполнении диссертационного исследования достигнуто следующее.

1. Выявлено несоответствие реально осуществляемой методики изучения волновых процессов современным положениям психологии и педагогики. Проанализировано современное состояние изучения упругих волн в средней школе и педагогическом вузе; изучены требования стандарта и примерных программ, содержание школьных и вузовских учебников по физике, физических практикумов и другой учебной и методической литературы, исследований, посвященных учебному физическому эксперименту с механическими волнами.

2. Проведен теоретический анализ учебного физического эксперимента с упругими волнами, получено объяснение недостаточного использования учебного эксперимента с упругими волнами и сформулированы основные проблемы его совершенствования.

3. Рассмотрено понятие экспериментальной подготовленности студентов педагогического вуза, поставлена проблема ее совершенствования; разработана методика осуществления экспериментальной подготовки на занятиях по физике и дидактике физики.

4. Разработаны доступные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты. Предложена система учебного эксперимента с упругими волнами. Разработана методика применения учебного физического эксперимента с упругими волнами на уроках физики при формировании основных понятий волнового движения. Создана методика использования ультразвука низкой частоты при организации научного познания; разработан элективный курс по изучению упругих волн.

5. Педагогическим экспериментом доказана возможность и целесообразность использования ультразвука низкой частоты при изучении явлений физики упругих волн в средней школе и в педагогическом вузе, а также для формирования экспериментальной подготовленности учащихся и организации деятельности студентов по проектированию содержания учебных занятий. Эффективность разработанной в настоящем диссертационном исследовании методики подтверждена установленными в педагогическом эксперименте фактами: 1) расширения и углубления знаний учащихся об упругих волнах (физические принципы источников волн, особенности распространения волн в различных средах, закономерности отражения, преломления, интерференции и дифракции волн, общее понятие волнового процесса), формирования наглядного зрительного образа реальных явлений волновой физики, понимания условий наблюдения волновых явлений; 2) развития потребности в теоретическом объяснении наблюдаемых явлений, совершенствования способности проектирования условий эксперимента для проверки следствий теории; 3) развития экспериментальных умений учащихся; 4) формирования устойчивого интереса школьников к изучению физических явлений окружающего мира. Проведение сравнительного анализа качества обучения, достигаемого по традиционной и предлагаемой методике, нецелесообразно в силу заведомо неравных условий подобного педагогического эксперимента.

Таким образом, поставленные в исследовании задачи решены, справедливость гипотезы доказана, цель исследования достигнута.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Вараксина, Е. И. Изгибные волны в лабораторных работах по дидактике физики [Текст] / В. В. Майер, Б. И. Вараксина // Физическое образование в вузах. —

2008. - Т. 14. - № 4. - С. 68-76. (0,56 печ. д., авторских - 50%)

2. Вараксина, Е. И. Прибор для учебного исследования полного внутреннего отражения света [Текст] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Физика в школе. — 2009. — № 1. - С. 48-50. (0,18 печ. л., авторских-50%)

3. Вараксина, Е. И. Натурный физический эксперимент с компьютерной моделью [Текст] / Е. И. Вараксина, В. В. Майер // Информатика и образование. — 2009. — № 2. — С. 124-126. (0,18 печ. л., авторских - 50%)

4. Вараксина, Е. И. Реализация концепции единства личности, психики, сознания и деятельности в лабораторном практикуме по дидактике физики [Текст] / Е. И. Вараксина// Вестник Университета Российской академии образования. —

2009. — № 1. — С. 163-166. (0,24 печ. л., авторских — 100%)

Монографии

5. Вараксина, Е. И. Теория и методика учебного эксперимента с упругими волнами [Текст] : монография / Е.И.Вараксина. — Глазов : ГГПИ, 2009. - 208 с. (13 печ. л., авторских — 100%)

Статьи

6. Вараксина, Е. И. Доступные конструкции генератора и излучателя для опытов с ультразвуком [Текст] / В.В. Майер, Е.И. Вараксина // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 19. — М. : ИСМО РАО, 2004. — С. 44-47. (0,18 печ. л., авторских - 50%)

7. Вараксина, Е.И. Визуализация поверхностей равных фаз изгибных вол [Текст] / В. В.Майер, Е. И. Вараксина // Проблемы учебного физического экс перимента: сборник науч. трудов. Вып. 20. — М. : ИСМО РАО, 2004. — С. 33-3 (0,15 печ. л., авторских — 50%)

8. Вараксина, Е.И. Исследуем ультразвук низкой частоты [Текст] / В.В.Майе

Учебная физика. — 2004. — № 2. — С. 58-64. (0,42 печ. л

9. , заимодействие учебной теории и учебного эксперимента в ци

ле научного познаиия [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Учебная физ ка. - 2004. - № 4. - С. 52-60. (0.56 печ. л., авторских - 50%)

10. Вараксина, Е. И. Использование функционального генератора типа ФГ-100 дл получения ультразвука [Текст] / Е.И. Вараксина, Б. П. Сысоева // Учебная фи зика. — 2004. — № 5. — С. 22. (0,06 печ, л., авторских - 50%)

11. Вараксина, Е. И. Лабораторные эксперименты по интерференции изгибных вол! [Текст] / Е. И. Вараксина, И.С.Медведцев // Проблемы учебного физическог эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 21. —- М. : ИСМО РАО, 2005. — С. 6 63. (0,25 печ. л., авторских — 50%)

12. Вараксина, Е. И. Проблемы учебного эксперимента с ультразвуком низкой ча стоты [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Проблемы учебного физическ го эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 22. — М. : ИСМО РАО, 2005. С. 42-45. (0,22 печ. л., авторских — 50%)

13. Вараксина, Е. И. Использование опорного сигнала для экспериментального изу чения упругой волны [Текст ] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Проблемы уче ного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 22. — М. : ИСМ РАО, 2005. - С. 74-77. (0,22 печ. л., авторских - 50%)

14. Вараксина, Е. И. Программа элективного курса «Исследование ультразвука низ кой частоты» [Текст] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Программы элективнь курсов. Физика. 9-11 классы. Профильное обучение / сост. В. А. Коровин. — М. . Дрофа, 2005. — С. 65-74. (0,6 печ. л., авторских — 50%)

15. Вараксина, Е.И. Дидактическая теория учебного физического эксперимент [Текст] / В.В. Майер, Е.И.Вараксина // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 24. — М.: ИСМО РАО, 2006. — С. 13-18. (0,36 печ. л., авторских — 50%)

16. Вараксина, Е.И. Магнитострикционный излучатель ультразвука [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Потенциал. - 2006. - № 8. - С. 55-60. (0,36 печ. л., авторских — 50%)

17. Вараксина, Е.И. Ультразвуковой генератор низкой частоты [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Потенциал. - 2006. - № 9. - С. 75-80. (0,36 печ. л., авторских — 50%)

18. Вараксина, Е.И. Ультразвуковые колебания магнитострикционного вибратора [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Потенциал. - 2006. - № 10. - С. 7380. (0,48 печ. л., авторских — 50%)

19. Вараксина, Е.И. Оценка амплитуды ультразвуковых колебаний вибратора [Текст] / В.В. Майер, Е. И.Вараксина // Потенциал. - 2007. - № 3. — С. 75-80. (0,36 печ. л., авторских — 50%)

20. Вараксина, Е.И. Изгибные волны в пластинка« [Текст] / В.В.Майер, Е. И. Вараксина // Потенциал. — 2007. — № 4. — С. 73-78. (0,36 печ. л., авторских - 50%)

21. Вараксина, Е.И. Изгибные волны и великий принцип Ферма [Текст] /

B. В. Майер, Е. И. Вараксина // Потенциал. — 2007. — № 5. — С. 74-80. (0,42 печ. л., авторских — 50%)

22. Вараксина, Е.И. Экспериментальное исследование упругой волны в воздухе [Текст] / В.В.Майер, Е. И. Вараксина // Учебная физика. — 2007. — № 1. —

C. 52-62. (0,6 печ. л., авторских - 50%)

23. Вараксина, Е.И. Компьютерная модель бегущей гармонической волны [Текст] /

B.В.Майер, Е.И.Вараксина, А.С.Рудин // Учебная физика. — 2007. — № 1. —

C. 31-36. (0,36 печ. л., авторских - 33%)

. Вараксина, Е. И. Звуковые волны [Текст] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Физика. Приложение к газете «Первое сентября». — 2008. — № 20. — С. 28-31. (0,24 печ. л., авторских — 50%) . Вараксина, Е. И. Формирование интереса школьников к учебному физическому эксперименту [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования: сборник трудов V Российской науч.-методич. конференции преподавателей вузов и учителей школ / отв. за вып. К. Ю. Шмакова. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2008. - С. 332-337.

^0,36 печ. л., авторских — 50%)

¡араксина, Е. И. Лабораторная работа по изучению акустического эффекта Доплера [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина, В.В.Власова // Учебная физика. - 2007. - № 2. - С. 75-77. (0,18 печ. л., авторских - 33%)

Тезисы докладов

7. Вараксина, Е. И. Педагогическое исследование доступности изготовления ультразвукового генератора и излучателя учителем [Текст] / Е.И.Вараксина // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы девятой всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2004. - С. 4. (0,04 печ. л., авторских - 100%)

8. Вараксина, Е. И. Взаимодействие учебного эксперимента и учебной теории в цикле научного познания [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Модели и моделирование в методике обучения физике: материалы докладов республиканской науч.-теоретич. конференции. — Киров : Изд-во Кировского ИУУ, 2004. — С. 89-91. (0,15 печ. л., авторских — 50%)

9. Вараксина, Е. И. Доступность конструкций физических приборов для учебного эксперимента [Текст] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях: материалы Международной науч.-практич. конференции, Екатеринбург, 5-6 апреля 2004 г.: в 2 ч. / Урал. гос. пед. ун-т. Ч. 1. — Екатеринбург, 2004. — С. 138-139.

^0,09 печ. л., авторских — 50%)

$араксина, Е. И. Учебная теория ультразвукового капиллярного эффекта [Текст] / Е.И.Вараксина, В.В.Майер // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы девятой всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2004. — С. 13.

Í0,04 печ. л., авторских — 50%)

Зараксина, Е. И. Деятельность студентов по конструированию учебных заиятий элективного курса [ Текст] / Е. И. Вараксина, В. В. Майер // Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики: материалы Международной науч.-практич. конференции, Екатеринбург, 12-13 апреля 2005 г.: в 2 ч. / Уральский гос. пед. ун-т. Ч. 1. — Екатеринбург, 2005. — С. 70-73. (0,2 печ. л., авторских — 50%)

2. Вараксина, Е. И. Экспериментальное введение основных характеристик упругой волны [Текст] / Е.И.Вараксина, В.В. Майер // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы десятой Всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2005. — С. 15. (0,02 печ. л., авторских — 50%)

3. Вараксина, Е. И. Экспериментальное изучение интерференции изгибных волн, отраженных от края пластинки [Текст] / Е. И. Вараксина, В. В. Майер // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы десятой Всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2005. — С. 14-15. (0,03 печ. л., авторских — 50%)

4. Вараксина, Е. И. Элективный курс «Исследуем ультразвук низкой частоты» как средство организации учебно-исследовательской деятельности учителя и учащихся [Текст] / Е. И. Вараксина // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы десятой Всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2005. — С. 5. (0,03 печ. л., авторских — 100%)

w

35. Вараксина, E. И. Изучение упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты [Текст] / Е. И. Вараксина // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы одиннадцатой Всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2006. — С. 3-4. (0,04 печ. л., авторских - 100%)

36. Вараксина, Е. И. Учебные демонстрации прямого магнитострикционного эффекта IТекст] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы одиннадцатой Всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2006. — С. 23-24. (0,04 печ. л., авторских — 50%)

37. Вараксина, Е. И. Дидактическая теория учебного физического эксперимента и конкретный новый результат в дидактике физики [Текст] / В. В.Майер, Е. И. Вараксина // Модели и моделирование в методике обучения физике: материалы докладов республиканской науч.-теоретич. конференции. — Киров : КИПР и ПРО, 2007. - С. 80-82. (0,18 печ. л., авторских - 50%)

38. Вараксина, Е. И. Принцип Гюйгенса в демонстрационном эксперименте (Текст ] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Актуальные проблемы преподавания физики в школе и вузе: материалы межвузовской науч.-практич. конференции 28-29 марта 2007 г. — Борисоглебск : ГОУ ВПО «Борисоглебский ГПИ», 2007. — С. 69-70.

i0,12 печ. л., авторских — 50%)

5араксина, Е. И. Совершенствование учебной деятельности студентов в лабораторном практикуме по экспериментальной физике [Текст] / Е. И.Вараксина // Настоящее и будущее физико-математического образования: материалы докладов республиканской науч.-практич. конференции. 25 окртября 2008 г. / Отв. ред. Ю.А. Сауров. — Киров : Типография «Старая Вятка», 2008. — С. 71-75. (0,3 печ. л., авторских — 100%)

40. Вараксина, Е. И. Формирование интереса школьников к учебному физическому эксперименту (Текст) / В.В. Майер, Е.И. Вараксина // Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования: сборник тезисов докладов V Российской науч.-методич. конференции преподавателей вузов и учителей школ / отв. за вып. К. Ю. Шмакова. Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2008. — С. 218219. (0,06 печ. л., авторских — 50%)

41. Вараксина, Е. И. Формирование экспериментальной подготовленности студентов в курсе экспериментальной физики [Текст] / Е.И. Вараксина // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы четырнадцатой Всероссийской науч.-практич. конференции. — Глазов : ГГПИ, 2009. - С. 4. (0,06 печ. л авторских - 100%)

42. Вараксина, Е. И. Самодиагностика профессиональных умений студентов после выполнения ими курсовых работ по дидактике физики [Текст] / Е. И. Вараксина // Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения: программа и материалы четырнадцатой Всероссийской науч.-практич. конференции.— Глазов: ГГПИ, 2009. — С. 5. (0,06 печ. л., авторских - 100%)

Подписано в печать 07.05.2009.

Напечатано на ризографе. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 3815-2009.

Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко. 427621, Удмуртия, г. Глазов, ул. Первомайская, 25.

Содержание диссертации автор научной статьи: кандидата педагогических наук, Вараксина, Екатерина Ивановна, 2009 год

Введение

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С УПРУГИМИ ВОЛНАМИ

1.1. Психолого-педагогическне предпосылки совершенствования методики изучения волновых процессов в школе.

1.1.1. Психологические и педагогические особенности экспериментального изучения волновых процессов в школе. 1.1.2. Проблема психологического развития учащихся при изучении волнового движения. 1.1.3. Уровень освоения волновых процессов школьниками.

1.2. Содержание и методика изучения упругих волн в средней общеобразовательной и высшей педагогической школе.

1.2.1. Анализ школьных программ, учебников, практикумов. 1.2.2. Традиционная методика изучения механических волн в школе. 1.2.3. Анализ вузовских учебников и практикумов. 1.2.4. Учебный эксперимент по упругим волнам. 1.2.5. Проблемы совершенствования учебного физического эксперимента с упругими волнами.

1.3. Экспериментальная подготовленность учителя физики как определяющий фактор совершенствования процесса изучения упругих волн

1.3.1. Традиционная методика подготовки студентов к преподаванию механических волн. 1.3.2. Проблема экспериментальной подготовки учителя физики. 1.3.3. Содержание экспериментальной подготовленности. 1.3.4. Подготовка будущих учителей к проектированию содержания занятия.

1.3.5. Совершенствование лабораторного практикума по дидактике физики с целыо подготовки студентов к изучению механических волн в школе.

1.3.6. Теоретические основы совершенствования лабораторного практикума по экспериментальной физике.

Глава 2. УЧЕБНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ОСНОВНОЕ СРЕДСТВО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН

2.1. Система учебного физического эксперимента с упругими волнами.

2.1.1. Приборы для получения упругих волн. 2.1.2. Система учебного эксперимента с упругими волнами. 2.1.3. Место учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты в школьном курсе физики.

2.2. Совершенствование методики проведения уроков физики на основе использования учебного эксперимента с упругими волнами.

2.2.1. Модель урока «Звуковые волны». 2.2.2. Урок физики по исследованию интерференции механических волн. 2.2.3. Экспериментальное исследование упругой волны в воздухе.

2.3. Учебный эксперимент с упругими волнами как средство организации научного познания.

2.3.1. Исследование явления визуализации линий равных фаз. 2.3.2. Ультразвуковой капиллярный эффект. 2.3.3. Элективный курс «Основы физики упругих волн»

Глава 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В СРЕДНЕЙ

И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

3.1. Обоснование возможности и целесообразности применения учебного эксперимента при изучении основ физики упругих волн в школе.

3.1.1. Использование эксперимента с ультразвуком при изучении механических волн в школе. 3.1.2. Изучение упругих волн в курсе экспериментальной физики.

3.2. Оценка доступности технологии изготовления учебных приборов для опытов с упругими волнами.

3.3. Использование учебного эксперимента с упругими волнами для повышения уровня экспериментальной подготовленности студентов.

3.3.1. Самостоятельное выполнение студентами учебного эксперимента с ультразвуком. 3.3.2. Оценка экспериментальной подготовленности будущего учителя физики. 3.3.3. Методика подготовки будущих учителей физики к проектированию содержания учебного занятия. 3.3.4. Составление студентами методики использования эксперимента с ультразвуком низкой частоты в школе.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Проблема экспериментального изучения волновых процессов"

Важнейшей задачей изучения физики в школе является развитие творческой личности с высоким уровнем мотивации дальнейшего самообразования, разносторонними познавательными интересами, глубокими знаниями и способностью пополнять их. Решение этой задачи невозможно без использования на уроках физики ярких и запоминающихся экспериментов, отражающих сущность изучаемых физических явлений. Физическая наука непрерывно развивается, ее достижения быстро меняют условия повседневной жизни и становятся доступными современным школьникам, поэтому вместе с этим процессом должна обновляться и совершенствоваться система учебного физического эксперимента. Непосредственно созданию нового учебного эксперимента по различным разделам курса физики, а также методике его использования в школе и вузе посвящены работы Е.С.Агафоновой [1], Р.В.Акатова [147], Я.Е.Амстиславского [4], Л.И.Анциферова [7], М.Н.Башкатова [16], Э.В.Бурсиана [25], П.П.Головина [51], М.И.Грин.баума [58], Г.И.Жерехова [72], Б. С. Зворыкина [76], О. Ф. Кабардина [84], В. Ф. Колупаева [96], В. В. Майера [111], Р.В.Майера [146], Н. Я. Молоткова [158], Г.Г.Никифорова [224], Ю.Ф.Огородникова [170], Б. Ш.Перкальскнса [176], Р.В.Поля [180], А.Портиса [182], М.М.Терентьева [219], С. А. Хорошавина [242, 243], Н.М.Шахмаева [251], Н. И. Шефера [85], В. Ф. Шилова [252] и многих других исследователей.

Учебный физический эксперимент является основным средством решения важнейших дидактических проблем. Он в полной мере использовался в исследованиях Б. Т. Войцеховского [44], В. С. Данюшенкова [62], И.Я.Ланиной [106], В.Г.Разумовского [193], А. А. Синявиной [206], А.В.Усовой [223], Т.Н.Шамало [248, 249], посвященных развитию познавательных интересов и творческих способностей учащихся, формированию физических понятий, умений и навыков, развитию познавательной активности школьников при обучении физике. Теоретические аспекты использования учебного физического эксперимента для развития самостоятельности учащихся при изучении школьного курса физики рассмотрены также в исследованиях Е. В. Оспенннковой [174]. Методология учебного физического эксперимента исследована в работах Ю. А. Саурова [ 202 ]. Проблемам отбора содержания обучения, его проектирования и вариативного построения в средней школе, тесно связанным с совершенствованием учебного физического эксперимента, посвящены работы П.В.Зуева [78], А.А.Шаповалова [250], С.В.Бубликова [23].

Несмотря на то, что учебному физическому эксперименту в дидактике физики всегда уделялось значительное внимание, далеко не все темы школьного курса физики в должной степени обеспечены системами доказательных, современных и интересных школьникам опытов. Требования к школьному физическому эксперименту возрастают в связи с введением в программы темы «Научный метод познания». Изучение любой темы школьного курса физики согласно научному методу познания должно начинаться с наблюдения и исследования физических явлений, лишь после этого на основе экспериментальных фактов строятся модели явлений как средства познания их физической сущности. При изучении волновых процессов в механике фундаментальный эксперимент по наблюдению упругих волн практически отсутствует. Изучение волн в школе начинается с их моделей (бегущая волна на шнуре и на пружине, волновая машина и т.д.). Волны на поверхности жидкости хотя и используются в школьном курсе физики, но они никак не создают образ упругих волн в средах. Между тем, в дальнейшем, в оптике волновые явления изучаются по аналогии с явлениями именно упругих волн в средах. Это приводит к непониманию школьниками сущности волновых явлений, незнанию основных закономерностей волнового движения, низкому уровню практических умений и снижению интереса к физике. Основа изучения волновых процессов закладывается при рассмотрении механических волн. Это объясняется тем, что именно механические волны позволяют создать наглядный зрительный образ волнового движения, опираясь на который впоследствии возможно формирование более глубокого понимания физики всех волновых процессов. Отсюда следует высокая значимость применения системы доказательного учебного физического эксперимента при изучении упругих волн в различных средах. Поэтому основным объектом нашего исследования является учебный физический эксперимент, обеспечивающий изучение упругих волн. Исследования проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами проведены Е.С.Агафоновой [1], Н.Л.Бронниковым [20, 21], А.Р.Геииингом [47, 48], В.Ф.Колупаевым [96], В.И.Краснюком [99], Б.Б.Кудрявцевым [101], В.В.Майером [113, 114, 141-144.], Р.В.Майе-ром [146], Н.М.Маркосовой [153], А.С.Мельниковым [154], В.Ф.Ноздревым [167, 168], А. С. Смагиным [207], В. И. Соломкиным [209-211], Н. М. Шахмаевым [251, 253]. Однако не существует методики, обеспечивающей систематическое использование на уроках физики доказательного и эффектного учебного эксперимента, раскрывающего сущность явлений, связанных с упругими волнами. Необходимо создание такой методики изучения упругих волн, которая позволила бы экспериментально исследовать волновое движение, на опыте изучить основные характеристики волны, научиться их измерять, экспериментально проверить уравнение волны, убедиться в существовании основных волновых явлений и исследовать их, получить экспериментальное обоснование возможностей практического применения упругих волн. При этом следует учесть временные и материальные возможности учителя и учащихся, обратить внимание на важность постановки индивидуального эксперимента, осуществить обучение школьников методу научного познания. Как уже говорилось, такая методика до настоящего времени не разработана, поэтому проблема экспериментального изучения упругих волн представляется весьма актуальной.

Проблема исследования заключается в преодолении противоречий:

• между требованиями Государственного стандарта, выражающими необходимость формирования творческой, способной к самообразованию личности, владеющей основами научного метода познания, и недостаточной разработанностью учебного физического эксперимента, предназначенного для организации реального процесса научного познания при изучении упругих волн в школе и вузе;

• между направленностью стандарта на деятельностный компонент образования, позволяющий повысить мотивацию обучения, в наибольшей степени реализовать способности, возможности и интересы ребенка, а также связанной с этим необходимостью обеспечения учебного процесса современными поучительными, интересными, простыми и эффектными опытами и недостаточной экспериментальной подготовленностью учителя, отсутствием как самих опытов, так и методических рекомендаций по их использованию на уроках физики при изучении упругих волн;

• между обоснованной в дидактике физики многочисленными исследованиями необходимостью организации активной учебно-исследовательской деятельности учащихся, включающей самостоятельное изготовление приборов и выполнение эксперимента с ними, и имеющимися в распоряжении учителя физики методическими, материальными и временными ресурсами, не позволяющими организовать указанную деятельность при изучении упругих волн.

Объект исследования: учебный физический эксперимент в средней и высшей школе и его педагогическая эффективность.

Предмет исследования: учебный физический эксперимент для изучения упругих волн в курсах физики средней общеобразовательной и высшей педагогической школы на основе научного метода познания и деятельностного подхода к организации обучения.

Цель исследования: создание системы учебных опытов с ультразвуком низкой частоты и методики их использования при изучении упругих волн для повышения качества обучения школьников.

Гипотеза исследования: эффективность методики изучения упругих волн существенно повысится, если в основу этой методики положить учебный физический эксперимент с ультразвуком низкой частоты, так как: 1) введение всех основных попятий волнового движения будет опираться на доказательный, интересный, поучительный учебный физический эксперимент; 2) овладение учащимися основами научного метода познания станет возможным на уроках физики при изучении механических волн; 3) получит развитие индивидуальная самостоятельная учебно-исследовательская деятельность учащихся по исследованию волновых процессов в рамках элективного курса и на внеурочных занятиях.

Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.

1. Исследовать состояние процесса изучения волнового движения в школе; сопоставить основы реально осуществляемой методики изучения волновых процессов с современными положениями психологии п педагогики. Проанализировать современное состояние изучения упругих волн в средней школе и педагогическом вузе; изучить требования стандарта и примерных программ, содержание школьных и вузовских учебников по физике, физических практикумов и другой учебной и методической литературы, исследований, посвященных учебному физическому эксперименту с механическими волнами.

2. Осуществить теоретический анализ учебного физического эксперимента с упругими волнами и сформулировать основные проблемы его совершенствования.

3. Изучить проблему экспериментальной подготовленности студентов педагогического вуза; разработать методику осуществления экспериментальной подготовки на занятиях по физике и дидактике физики.

4. Разработать доступные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты; предложить снстему учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Разработать методику применения учебного физического эксперимента с упругими волнами на уроках физики при формировании основных понятий волнового движения. Создать методику использования ультразвука низкой частоты при организации учебного и научного познания; разработать программу и содержание элективного курса по изучению упругих волн.

5. Педагогическим экспериментом доказать возможность и целесообразность использования ультразвука низкой частоты при изучении явлений физики упругих волн в школе и вузе, а также для формирования экспериментальной подготовленности учащихся и организации деятельности студентов педагогического вуза по проектированию содержания учебных занятий.

При проведении исследования применялись следующие методы. Теоретические: 1) анализ нормативной, научной, методической, учебной литературы и диссертационных исследований по изучаемой проблеме; 2) изучение и анализ требований стандарта к уровню подготовки выпускников школ и педагогических вузов; 3) теоретический анализ учебного физического эксперимента с упругими волнами; 4) проектирование методик изучения упругих волн в курсах физики средней и высшей школы; экспериментальные: 5) опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; 6) разработка новых элементов учебного материала, включающих учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения; 7) проверка эффективности разработанных методик в педагогическом эксперименте; 8) внедрение результатов исследования в учебный процесс средней и высшей школы.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

1) выполнено дидактическое исследование учебного физического эксперимента с упругими волнами, которое позволило выявить и объяснить основные трудности изучения волновых процессов в школе и вузе, обосновать необходимость совершенствования экспериментального изучения упругих волн и привело к созданию новых опытов, их учебной теории п повой методики изучения упругих волн в школе и вузе;

2) доказаны возможность и целесообразность использования при изучении упругих волн учебных экспериментов с ультразвуком низкой частоты; создана методика, позволяющая это сделать, не нарушая сложившуюся логику и структуру учебного процесса по физике;

3) разработаны новые учебные эксперименты по изучению прямого магнптострикционного эффекта, по исследованию явления интерференции пзгибных волн при отражении от круглого края, по фокусировке пзгпбных волн при отражении от параболического, эллиптического н круглого краев пластинки, по наблюдению ультразвукового фонтана; усовершенствованы учебные эксперименты по изучению стоячей волны, нелинейных эффектов, практического применения ультразвука; разработана серия опытов по исследованию явления интерференции с доступными пьезоэлектрическими источниками звука и ультразвука;

4) разработаны новые учебные теории явления визуализации линий равных фаз, ультразвукового капиллярного эффекта, предложен простой способ оценки амплитуды колебаний вибратора магнитострик-ционного излучателя н простой вывод формул для радиационного давления упругой волны;

5) разработана методика проведения уроков по изучению упругих волн, на которых введение всех понятий опирается на доказательный интересный учащимся учебный физический эксперимент; разработана методика, позволяющая учащимся усвоить суть метода научного познания при изучении упругих волн; разработаны доступные конструкции приборов, которые могут использоваться в самостоятельной учебно-исследовательской деятельности учащихся, программа и содержание элективного курса.

Теоретическая значимость определяется тем, что в сфере дидактики физики

1) обосновано положение, что совершенствование учебного эксперимента с упругими волнами является основным средством повышения эффективности методики изучения волновых процессов;

2) теоретически обоснована необходимость совершенствования учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты с целью построения методики, обеспечивающей повышение качества обучения школьников;

3) определены содержание и структура понятия экспериментальной подготовленности учащихся и будущих учителей физики применительно к процессу изучения упругих волн в средней и высшей школе.

Практическая значимость состоит в следующем:

1) разработаны конструкция и технология изготовления учебного ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя низкой частоты, которые доступны для учителя и учащихся, а значит, могут быть использованы в учебном процессе;

2) созданы эксперименты и их теории, которые можно непосредственно применять на учебных занятиях и в учебно-исследовательской деятельности учащихся при изучении механических волн и акустики для организации научного познания;

3) предложена модель урока «Звуковые волны», в которой на основе учебного физического эксперимента формируется понятие волны; на основе нового учебного физического эксперимента создана методика изучения интерференции волн; предложена методика экспериментального изучения звуковой волны в воздухе, позволяющая серией демонстрационных экспериментов обосновать справедливость уравнения гармонической волны и тем самым доказать факт существования гармонических упругих волн; разработана методика применения нового учебного эксперимента в лабораторном практикуме по дидактике физики в педагогическом вузе; предложен элективный курс по изучению упругих волн, предназначенный для учащихся средней школы;

4) разработаны содержание и методика лекционных и лабораторных занятии, обеспечивающих изучение физики упругих волн на основе ультразвука низкой частоты в рамках курса общей и экспериментальной физики.

Методологическую основу исследования составляют концепция учебной физики (В.В.Майер [111]), концепция формирования физических понятий (А.В.Усова [223], Т.Н.Шамало [248, 249]), концепция учебного и научного познания в обучении физике (В. Г. Разумовский, В. В. Майер [ 192]), идеи организации деятельности при обучении физике (Ю. А. Сауров [204 ]), системный подход в обучении физике (В. С. Даню-шенков [63]).

Достоверность и обоснованность результатов исследования определяется опорой на фундаментальные положения дидактики физики; научным анализом проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами; экспериментальным доказательством возможности и целесообразности применения ультразвука низкой частоты при изучении упругих волн; личным опытом учебной работы соискателя по теме исследования; положительными результатами реально организованного учебного процесса по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты.

Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в школах города Глазова, на физических факультетах ГОУ ВПО «Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко», ГОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет» и «Уральский государственный педагогический университет», на семинаре учителей физики северного куста Удмуртской Республики на базе Республиканской очно-заочной школы при МОУ «Физико-математический лицей» г. Глазова. Полученные результаты обсуждались на заседаниях научного семинара физического факультета Глазовско-го педагогического института (2003-2009 гг.), республиканской научно-теоретической конференции «Модели и моделирование в методике обучения физике» в Кирове (2004 г.), на Международной научно-практической конференции «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики» в Екатеринбурге (2005 г.), республиканской научно-практической конференции в «Настоящее и будущее физико-математического образования» в Кирове (2008 г.), V Российской научно-методической конференции преподавателей вузов и учителей школ «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» в Екатеринбурге (2008 г.), 1Х-Х1У научно-практическнх Всероссийских конференциях «Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения» в Глазове (2004-2009 гг.), заседании диссертационного совета КМ 212.041.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вятский государственный гуманитарный университет» (2006 г., единогласное положительное решение по результатам защиты диссертации «Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты», 10 положительных отзывов на автореферат). Основные результаты исследования представлены в 42 публикациях автора.

Положения, выносимые на защиту.

1. Низкий уровень освоения учащимися основ физики волновых процессов объясняется отсутствием доказательного учебного физического эксперимента при изучении упругих волн. Для решения проблемы экспериментального изучения упругих волн необходимо и достаточно применение учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты.

2. Разработанные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты делают приборы доступными школьнику и учителю физики и могут применяться на уроках физики и во внеурочной работе.

3. Разработанный учебный физический эксперимент и методика позволяют построить процесс изучения механических волн так, что введение всех основных понятий волнового движения будет опираться на доказательный, интересный, поучительный учебный физический эксперимент.

4. Созданный или усовершенствованный учебный физический эксперимент может служить основой организации процесса научного познания учащихся при изучении механических волн на традиционных уроках, индивидуальной самостоятельной учебно-исследовательской деятельности учащихся на внеурочных занятиях и в элективном курсе по изучению упругих волн.

Логика исследования включает следующие этапы.

Первый этап (2003-2004 гг.) связан с постановкой проблемы исследования. Разработаны конструкции и технологии изготовления ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя низкой частоты. Проведен педагогический эксперимент по проверке доступности изготовления этих приборов учащимися. Разработана учебная теория ультразвукового капиллярного эффекта. Изготовлены 19 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.

Второй этап (2004-2005 гг.) посвящен изучению существующего учебного физического эксперимента и учебной теории, анализу научной и учебно-методической литературы, совершенствованию учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Исследовано явление визуализации линий равных фаз на поверхности тонкой упругой пластинки, разработана методика экспериментального изучения упругой волны в воздухе. Разработана программа элективного курса. Проведен педагогический эксперимент по изучению возможности проектирования студентами содержания учебного занятия. Осуществлено руководство 10 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 6 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.

Третий этап (2005-2006 гг.) определяется организацией изучения упругих воли в курсе экспериментальной физики, в процессе которого предпринято дальнейшее исследование учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Создана авторская методика изучения упругих волн в школе. Разработан и проведен масштабный педагогический эксперимент в школе. Проведенное дидактическое исследование учебного физического эксперимента изложено в соответствии с логикой научного познания. Осуществлено руководство 19 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 22 комплекта приборов для опытов с ультразвуком.

Четвертый этап (2006-2009 гг.) включал работу по дальнейшему совершенствованию методики применения учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты при изучении упругих волн. Опубликована серия статей для школьников в журнале «Потенциал», разработаны конкретные модели школьных уроков, предложены новые методики использования учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты в педагогическом вузе. Исследовалась профессиональная подготовка будущих учителей физики к изучению механических волн в школе. Создавался и совершенствовался учебный эксперимент по механическим колебаниям и волнам. Осуществлено руководство 40 учебно-исследовательскими работами студентов, из которых 26 посвящены методике изучения механических волн. Изготовлены 32 комплекта приборов для опытов с ультразвуком. Начата работа по созданию и совершенствованию современного учебного эксперимента с ультразвуком высокой частоты и с волнами звукового диапазона. Проводились исследования профессиональной подготовки студентов при выполнении курсовых работ и оценке экспериментальной подготовленности будущих учителей физики.

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

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучение пспхолого-иедагогической литературы показало, что дидактические принципы недостаточно выполняются при изучении волнового движения в механике (механические колебания и волны), электродинамике (электромагнитные волны и волновая оптика), квантовой физики (корпускулярно-волновой дуализм). Во-первых, содержание обучения физике волновых процессов не в полной мере удовлетворяет принципам теории развивающего обучения; во-вторых, при изучении волн разной природы часть общепринятых дидактических принципов реализуется в недостаточной степени; в-третьих, системное представление знаний учащихся о волнах оказывается несформированным; в-четвертых, не реализуются полностью возможности психического развития школьников. Результатом этого являются неудовлетворительные знания, показываемые учащимися при сдаче ЕГЭ.

2. Анализ требований Государственного стандарта образования, содержания школьных учебников и практикумов позволил выявить проблему недостаточного использования учебного физического эксперимента при изучении упругих волн в средней школе. В педагогическом вузе явления физики упругих волн также изучаются в основном теоретически: лекционные демонстрации в большинстве своем архаичны и не вызывают устойчивого интереса у аудитории, лабораторные работы физических практикумов проводятся на готовых установках и мало способствуют формированию экспериментальной подготовленности студентов. Между тем полная система школьного физического эксперимента по акустике создана отечественными методистами. Разработаны также большие серии учебных опытов с ультразвуком. Однако в практике преподавания существующие системы опытов почти не используются. Это свидетельствует о том, что в содержательном отношении процесс изучения упругих волн в школе нельзя считать завершенным. Сформулированы основные проблемы настоящего диссертационного исследования: 1) совершенствование учебного оборудования для получения ультразвука низкой частоты с целью повышения его доступности; 2) совершенствование системы учебного физического эксперимента с ультразвуком низкой частоты с целью повышения ее эффективности; 3) совершепствование процесса экспериментальной подготовки будущего учителя физики с целью создания предпосылок для использования учебного физического эксперимента на школьных уроках физики.

3. Успешность учебного процесса по изучению упругих волн определяется не только разработанностью этого элемента учебного материала, но и методической подготовкой учителя. В системе методической подготовки необходимо выделить экспериментальную подготовку и подготовку к проектированию содержания учебного занятия, как наиболее значимые с точки зрения использования в обучении учебного физического эксперимента. Экспериментальная подготовка учащегося должна включать осознание роли эксперимента в научном познании, интерес к эксперименту и экспериментальные умения. Она может осуществляться только в процессе самостоятельной деятельности по освоению конкретных элементов учебного материала. Значительным дидактическим потенциалом в этом отношении обладает ультразвук низкой частоты, который в физическом отношении ничем не отличается от звука высокой частоты, но, в отличие от него, позволяет поставить яркие, запоминающиеся эксперименты, раскрывающие физическую сущность изучаемых явлений и возможности их использования на практике. Умение проектировать содержание учебного занятия должно формироваться в педагогическом вузе и включать способности определить целесообразность, место и методику использования конкретных элементов учебного материала в системе тем школьного курса и на конкретных уроках физики.

ГЛАВА 2

УЧЕБНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ОСНОВНОЕ СРЕДСТВО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ

УПРУГИХ ВОЛН

Совершенствование методики изучения упругих волн в современной средней школе предполагает решение трех взаимосвязанных задач: 1) разработку учебной теории тех физических явлений, дидактический потенциал которых позволяет надеяться на эффективное использование их в учебно-воспитательном процессе; 2) совершенствование известного и создание нового учебного эксперимента с целью обеспечения более глубокого изучения в рамках существующей системы физического образования предусмотренных стандартом и вызывающих интерес учащихся физических явлений; 3) создание предназначенной для непосредственного использования в школе методики изучения учебной физической теории и учебного физического эксперимента, обеспечивающих усвоение учащимися основ физики упругих волн.

Поскольку дидактика физики относится к прикладным наукам, перечисленные задачи должны решаться не в виде общих теоретических построений и практических рекомендаций, а в конкретных формах, допускающих строгую экспериментальную проверку в реальном учебном процессе.

Поэтому в первом параграфе настоящей главы изложена разработанная нами система учебного физического эксперимента с упругими волнами, в основу которой положен эксперимент с ультразвуком низкой частоты. Все приборы, отдельные детали, экспериментальные установки и опыты этой системы разработаны, изготовлены, собраны и поставлены лично автором, прошли всестороннюю апробацию на занятиях в средних учебных заведениях и в педагогических вузах, одобрены учителями и преподавателями физики, поэтому возможность и целесообразность использования их не вызывает сомнений. Представленная система имеет исчерпывающий характер и позволяет экспериментально изучить все основные явления волнового движения как школьного курса физики, так и непосредственно связанного с ним курса физики педагогического вуза. В систему не включены лишь эксперименты с ультразвуком высокой частоты, которые несмотря на свою эффектность, принципиально не меняют уровня изучения упругих волн п нуждаются в отдельном исследовании.

Во втором параграфе главы рассмотрено совершенствование методики проведения уроков физики на основе использования учебного эксперимента с упругими волнами. В соответствии с обозначенным выше подходом вместо общих теоретических построений предлагаются разработанные нами конкретные методики изучения наиболее значимых вопросов физики упругих волн, относящихся к школьному курсу. Они включают не только новый учебный эксперимент, но и новые учебные теории. Предлагаемые методики, несмотря на их конкретность, носят модельный характер п обеспечивают построение на их основе различных форм школьных уроков физики и внеурочных занятий учащихся.

Третий параграф главы посвящен исследованию проблемы применения учебного физического эксперимента с упругими волнами в качестве основного дидактического средства организации научного познания. Завершается параграф разработанной нами программой элективного курса, предназначенного для изучения основ физики упругих волн с целью развития, главным образом, исследовательских умений учащихся.

Представленные в главе результаты исследования частично опубликованы в следующих работах автора [28-31, 35, 37, 38, 115-117, 121— 125, 127-132, 135-137, 140].

Кратко рассмотрим разработанный в настоящем исследовании комплект приборов для учебных опытов с упругими волнами, обеспечиваемую комплектом систему опытов и возможное применение этой системы на школьных уроках физики.

2.1.1. Приборы для получения упругих волн. Традиционное оборудование для учебных опытов по акустике включает генератор звуковой частоты, динамики, пьезоэлектрические преобразователи, микрофоны, усилитель звуковой частоты, осциллограф и принадлежности, обеспечивающие сборку экспериментальных установок. Это оборудование позволяет поставить большую серию акустических экспериментов и должно быть сохранено в школьном физическом кабинете. Однако оно не обеспечивает экспериментальное изучение акустических явлений в частотном диапазоне 15-25 кГц, примыкающем к верхнему порогу сли-шимости, а именно эти явления обладают наибольшим дидактическим потенциалом.

Звуковые волны высокой частоты по своим физическим свойствам ничем не отличаются от ультразвука низкой частоты — это просто разные названия одной и той же физической сущности. Однако если для получения звука используются широкополосные преобразователи, то ультразвук получают посредством узкополосных преобразователей резонансного типа. Поэтому в дальнейшем для определенности мы будем использовать термин ультразвук низкой частоты, имея в виду, что это синоним термина звук высокой частоты.

Проведенное нами исследование показало, что традиционное оборудование для акустического эксперимента в принципе достаточно дополнить только одним прибором — магнитострикционным излучателем ультразвука низкой частоты. Однако, имея в виду необходимость организации в школе самостоятельной экспериментальной деятельности учащихся, мы считаем необходимым добавить в список дополнительного оборудования еще и ультразвуковой генератор. Основным требованием, которому должны удовлетворять дополнительные приборы, является их доступность. Под обобщенным критерием доступности мы понимаем возможность изготовления приборов в любом нормальном школьном кабинете физики в течение времени, не превышающем одного учебного дня.

1. Магнитострикционный излучатель ультразвука. Магнитострикционный излучатель ультразвука низкой частоты состоит из вибратора, находящегося внутри обмотки возбуждения, и поляризующих вибратор магнитов. Его работа основана на явлении прямого магнитострикционного эффекта — изменении размеров ферромагнетика при изменении магнитного поля. Вибраторы промышленных излучателей изготавливают из никеля, кобальта, других ферромагнитных материалов и сплавов, а также феррита [215, 221]. Поляризация вибратора осуществляется постоянным током, протекающим в обмотке возбуждения. В учебных излучателях это нецелесообразно [113], поэтому в них используют кольцевые керамические магниты. Вибратором учебного магнитострикционного излучателя служит ферритовый стержень, так как он обладает наибольшей магнито-стрикцией и наиболее доступен по сравнению с вибраторами из других материалов.

Различные конструкции учебных магнитострикционных излучателей описаны в работах [47, 48, 112, 113, 210]. Их изготовление предполагает вытачивание каркаса обмотки возбуждения на токарном станке или подбор подходящей трубки, выполнение обмотки проводом в лаковой

Рис. 4. Учебный магнитострикционный излучатель ультразвука изоляции. Это снижает доступность магнитострикционного излучателя, поскольку требует работы в мастерской и наличия специальных умений. Поэтому мы разработали более простую конструкцию излучателя, технология изготовления которого может быть реализована даже в домашних условиях (рис.4).

Рассматриваемый излучатель при длине ферритового стержня 140-160 мм позволяет получать упругие волны частотой 16-19 кГц. Для работы с изготовленным магнитострикционным излучателем необходимо переменное напряжение соответствующей частоты. Для его получения можно использовать выпускавшийся ранее промышленностью школьный звуковой генератор ГЗШ-бЗ (если собственная частота вибратора не больше 20 кГц) или выпускаемый современной промышленностью звуковой генератор ФГ-100, который позволяет получать переменное напряжение синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы с амплитудой 1-10 В и частотой, регулируемой в пределах от 0,1 Гц до 100 кГц.

Подробно процесс изготовления магнитострикционного излучателя изложен в Приложении 1.

2. Ультразвуковой генератор. В методической литературе описано большое количество различных по принципиальным схемам и конструкциям ультразвуковых генераторов. Однако большинство из них обладает рядом недостатков: применение радиоламп, которые в настоящее время уже устарели и недоступны учителю или учащимся; использование высокого напряжения, что также сильно снижает доступность, так как, во-первых, требует сетевого источника питания, а во-вторых, несет опасность при работе учащихся с ним; кроме того, конструкции этих генераторов сложны (см. п. 1.2.5).

Поэтому на основе принципиальной схемы, представленной в книге [112], нами разработана конструкция и технология изготовления ультразвукового генератора, который не имеет указанных недостатков, а значит, может быть использован в индивидуальном эксперименте учащихся. Несмотря на исключительную простоту принципиальной схемы (рис. 5) и конструкции (рис. 6), предлагаемый нами ультразвуковой генератор при о

4.5-20В -О

Я1 15к

И2 2 к о

VТГ КТ817П а С1 0,015мк сз

1— £2 0,01мк 0,01мк «г мси

31

УТ2 КТ817Г

Рис. 5. Принципиальная схема учебного электронного генератора для получения ультразвука низкой частоты

Ял --------1 ни ——'-'••-•'Щ г

6 Г) > 1 г

Правильно собранный генератор никакого налаживания не требует. Иногда в силу разброса параметров радиодеталей резонансная частота магнитострикционного излучателя не попадает в рабочий диапазон частот генератора. Тогда нужно подобрать емкость конденсатора С1 или количество витков катушки Ы. Для питания генератора можно использовать 2-4 последовательно включенные батареи гальванических элементов на напряжение 4,5 В каждая. В некоторых опытах достаточно напряжения, даваемого одной батареей. При напряжении питания 9 В генератор должен обеспечивать ультразвук такой интенсивности, при которой нанесенная на торец фер-ритового вибратора капля воды немедленно распыляется. Для удобства работы, повышения надежности, наглядности для учащихся генератор лучше поместить в пластиковый корпус, например, изготовленный из пластиковой бутылки (рис.7).

Рис. 6. Учебный ультразвуковой генератор, собранный методом навесного монтажа

Рис. 7. Доступная экспериментальная установка для опытов с ультразвуком низкой частоты

В дальнейшем целесообразно разработать набор деталей и материалов для самостоятельного изготовления генератора и излучателя ультразвука в школьных условиях. Все необходимое для этого в принципе можно приобрести в радиомагазинах, это доступно, но наличие специально предназначенного для школы и выпускаемого промышленностью набора деталей существенно облегчило бы задачу учителя. Предполагаемый состав набора: транзисторы, конденсаторы, резисторы, многожильные и одножильные проводники, провод для намотки катушки, трубка для каркаса катушки, резиновые колечки, несколько ферритовых стержней и керамических кольцевых магнитов. Следует подчеркнуть, что согласно анализу современного оборудования [224] отечественный комплект учебных приборов по акустике еще находится на стадии разработки.

Таким образом, решена существенная дидактическая задача — разработано учебное оборудование, обеспечивающее экспериментальное изучение в школе упругих волн. Это оборудование настолько доступно и безопасно, что может быть изготовлено и использовано любым школьником. Более подробно вопросы создания учебного оборудования рассмотрены нами в работах [29, 34, 36, 120, 121, 130, 135].

2.1.2. Система учебного эксперимента с упругими волнами. Совокупность элементов, отличающаяся целостностью, структурностью, иерархичностью, взаимозависимостью со средой и множественн-стью описаний, называется системой [45]. Совокупность учебных опытов с упругими волнами обладает всеми перечисленными признаками, поэтому является дидактической системой. Подробно система доказательного учебного эксперимента с упругими волнами и методика его применения в учебном процессе исследованы нами в публикациях [27-39, 115-140]. Результаты этого исследования систематизированы в табл.4.

Список литературы диссертации автор научной работы: кандидата педагогических наук, Вараксина, Екатерина Ивановна, Глазов

1. Баулин И. За барьером слышимости.— М.: Знание, 1971.— 176 с.

2. Громов С. В., Родина Н. А. Физика: Учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений.— М.: Просвещение, 2000.— 158 с.

3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т.1. Механика, теплота / Под ред. А.А.Покровского.— М.: Просвещение, 1971.— 366 с. (С. 209-219).

4. Клюкин И. И. Удивительный мир звука.— Л.: Судостроение, 1986.— 168 с.

5. Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах.— М.: Физматгиз, i960.— 560 с.

6. Майер В. В. Кумулятивный эффект в простых опытах.— М.: Наука, 1989.— 192 с.

7. Майер В. В. Простые опыты с ультразвуком.— М.: Наука, 1978.— 161 с.

8. Маркосова Н. М. Изучение ультразвука в курсе физики средней школы: Пособие для учителей / Под ред. В. Ф. Ноздрева.— М.: Просвещение, 1982.— 96 с.

9. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев.— М.: Просвещение, 2004.— 336 с.

10. Мякишев Г. Я., Синяков А. 3. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики.— М.: Дрофа, 2001.— 288 с.

11. Перышкин A.B. Физика. 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений / А.В.Перыш-кин, Е.М. Гутник.— М.: Дрофа, 2003 — 256 с.

12. Рыдник В. И. О современной акустике: Кн. для внеклассного чтения. VIII-X кл.— М.: Просвещение, 1979.— 80 с.

13. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И. П. Голямина.— М.: Советская энциклопедия, 1979.— 400 с.

14. Физика и астрономия: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. учреждений / А. А. Пинский, В.Г.Разумовский, А.И.Бугаев н др.; Под ред. А.А.Пинского, В.Г.Разумовского.— М.: Просвещение, 2000.— 303 с.

15. Хорбенко И. Г. В мире неслышимых звуков.— М.: Машиностроение, 1971.— 248 с.

16. Хорбенко И. Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук.— М.: Знание, 1986.— 192 с.1. КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

17. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В СРЕДНЕЙ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

18. Результаты частично представлены в публикациях автора 27, 28, 32-34, 36, 120.

19. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УЧЕБНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ ОСНОВ ФИЗИКИ УПРУГИХ ВОЛН В ШКОЛЕ

20. Факультативное занятие по изучению источников упругих волн