автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Специальный практикум по физике педагогического вуза: концепция и воплощение

Автореферат диссертации по теме "Специальный практикум по физике педагогического вуза: концепция и воплощение"

На правах рукописи

и

л

ПЕТРОВА Елена Борисовна

СПЕЦИАЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ВУЗА: КОНЦЕПЦИЯ И ВОПЛОЩЕНИЕ

Специальность 13.00.02 - теория и методика обучения физике

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете им. В.И. Ленина на кафедрах общей и экспериментальной физики и методики преподавания физики.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЛЬИН В.А.

доктор педагогических наук, профессор КАМЕНЕЦКИЙ С.Е.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент МИНАКОВА И.И.

кандидат педагогических наук, доцент КОСТЮНИН A.B.

Ведущая организация: Московский государственный открытый педагопгаеский университет.

Защита состоится "4" декабря 1995 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета К 053.01.12 в Московском педагогическом государственном университете им, В.И. Ленина (119435, Москва, М.Пироговская ул., д. 29, ауд. 30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета (Москва, ул. М. Пироговская, д. 1, МПГУ имени В.И. Ленина).

Автореферат разослан «..; 11.,.........¿А....... 1995 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета НОСОВА Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Содержание и организация высшего педагогического образования всегда были предметом оживленных дискуссий. В последние годы интерес к ним еще более возрос в связи с кризисными явлениями в обществе, перестройкой экономики страны, а также с явным ослаблением интереса молодежи к получению высшего образования, в том числе и педагогического. Для того, чтобы исправить положение требуется радикальная перестройка системы образования в стране: переход к более демократичным формам управления, формирование непрерывной системы образования, существенное усиление профессиональной подготовки, разработка новых форм организации обучения и т.д.

Нынешние студенты и выпускники - люди XXI века. Они должны получить такое образование, чтобы можно было со знанием дела относиться к реалиям своего времени: проблемам окружающей среды, развития энергетики, космических исследований, обороны и т.д. От понимания ими роли и достижений технического прогресса зависит будущее всего человечества.

Отметим некоторые конкретные вопросы реформирования подготовки учителей физики. Очевидно, что учитель физики должен быть разносторонним специалистом: от него требуется высокий уровень теоретических знаний, хорошая подготовка в области физического эксперимента и владение искусством его постановки (в том числе с использованием компьютеров и сложного электронного оборудования), широта политехнического кругозора, а также подготовленность к профориентационной работе. Эти требования связаны с характером деятельности учителя физики в современных условиях и определяются его квалификационной характеристикой.

При изучении физики особое внимание уделяется эксперименту, поэтому он должен занимать приоритетное место в широком спектре умений и навыков учителя физики. Месту физического эксперимента в системе естественно-научного образован™ посвящено значительное число печатных работ и докладов на конференциях различного уровня.

В них подчеркивается, что в повышении профессиональной подготовки студентов значительное место занимают так называемые дисциплины по выбору, иначе говоря специальные лекционные курсы и практикумы. Очевидно, что при современном развитии физической науки поток открытий настолько велик, что становится невозможным корректирование с их учетом всего курса физики. В этом, впрочем, нет необходимости. Наиболее удобным является ознакомление студентов с новейшими открытиями в физике на последнем этапе ее изучения, в специальных курсах и практикумах. В связи с этим возрастает роль специального практикума, а создание для него современных лабораторных работ и разработка новых методик становятся весьма актуальными.

В процессе работы изучены и проанализированы научно-методические публикации, посвященные рассмотрению общих положений об организации, целях и задачах

лабораторного эксперимента по физике в высших учебных заведениях и средней школе и содержащие методические разработки специальных физических практикумов, в том числе по радиофизике. Осуществлялся поиск и анализ научной литературы по физике, содержащей описание новейших достижений и тенденций развития данной науки с целью выявления возможностей их использования при создании современных лабораторных работ для высших учебных заведений. Проведен обзор литературы, связанной с компьютерной техникой и перспективами ее внедрения в учебный процесс.

Анализ литературы показал, что, несмотря на важность специального физического практикума как формы профессиональной подготовки учителей физики, совершенствованию его содержания, технического оснащения и методики проведения занятий не уделяется должного внимания. Работы, посвященные разработке различных специальных практикумов, немногочисленны: Рихситиллаев X. (Специальный практикум по молекулярной акустике); Сафаева Г.С. (Специальный практикум по акустоалектро-нике); Лысов В.Ф. (Специальный практикум по полупроводникам); Степанов C.B. (Специальный практикум по методике преподавания физики). Полностью отсутствуют публикации, где был бы описан практикум, в котором органически сочеталось бы изучение физических эффектов с техническими новациями и использованием возможностей персонального компьютера.

Обзор литературы позволил сделать заключение о наличии ряда слабо разработанных или вовсе нерешенных проблем, связанных со специальным физическим практикумом педагогического вуза. Среди них:

- обоснование выбора тематики и содержания лабораторных работ;

- обоснование методики проведения занятий и ее профессионализация;

- разработка учебных пособий и оборудования для проведения лабораторных занятий;

- психологические аспекты, связанные с активизацией творческого потенциала учащихся, с повышением их интереса к обучению,-

- органичное включение компьютерной техники в процесс обучеюи в специальном практикуме.

Таким образом, актуальность исследования обусловлена тем, что:

- априори существует отставание образования от научных исследований;

- невозможно решить задачу расширения кругозора учителя, только в рамках традиционных форм обучения;

- оборудование и методы исследования современной физики являются весьма дорогостоящими и сложными для перенесения их в учебные лаборатории, н необходима их разумная адаптация для образовательных целей без снижения научного уровня.

Решить эти задачи в полном объеме не позволяет ни одна из форм обучения, за исключением специального практикума по физике.

Объектом проводимых исследований является методика подготовки студентов в специальном физическом практикуме педагогического университета. При этом она рассматривается как часть всей системы подготовки учителя физики.

Предметом исследования являлся специальный практикум по физике педагогического вуза, его цели, задачи, структура, содержание, организация и методика проведения занятий в нем, а также место и значение специального практикума в системе подготовки учителя физики.

Целью данной работы являлась разработка концепции специального практикума по физике, которая наиболее полно отвечала бы задачам подготовки учителя физики. Основное направление исследования состоит в том, чтобы с учетом требований, предъявляемых квалификационной характеристикой учителя физики, разработать структуру и содержание современного специального практикума по физике, методику проведения занятий в нем, а также в создании специального практикума по физике, который отражал бы новейшие достижения научно-технического прогресса в области физики и информатики, опираясь при этом на современные психолого-педагогические теории.

В основу исследования положена гипотеза: разработка и создание современного специального практикума по физике и методики проведения занятий в нем приведет к существенному повышению профессиональной подготовки учителей, расширит их физический кругозор, обеспечит выработку у студентов мастерства экспериментатора, а также создаст эмоциональный фон, способствующий повышению у студентов интереса к обучению.

Научная новизна исследований состоит в:

- разработке концепции специального практикума по физике для педагогического вуза, которая учитывает специфику подготовки учителя физики средней школы и опирается на глубокое психологическое обоснование специфики данной формы обучения;

- создании в рамках разработанной концепции специального практикума, отвечающего современному уровню развития физического эксперимента, направленного на изучение в условиях учебной лаборатории физических явлений, открытых сравнительно недавно, широко использующего компьютерную технику;

- разработка методики проведения лабораторных работ в специальном практикуме по физике для педагогического вуза.

Практическая ценность исследования состоит в разработке специального практикума по физике: модернизации существующих ранее и создании новых лабораторных работ, внедренных в учебный процесс ряда педагогических университетов и институтов, в написании программ для персонального компьютера "Правец 8А" (ПК), позволяющих автоматизировать физический эксперимент в вузах и школах.

На защиту выносится

- концепция специального практикума по физике педагогического вуза, отвечающего современному уровню развития физики, психологии и методики преподавания физики в высших учебных заведениях;

- обоснование целей и содержания специального практикума по физике;

- создание лабораторных работ на основе современного электронного оборудования и вычислительной техники, позволяющих достичь поставленных целей;

- разработка основных требований к организации специального практикума, при которой возможно углубление, расширение и обобщение имеющихся умений и навыков физического экспериментирования, активизация творческого потенциала студентов;

- определение особенностей применения вычислительной техники, естественным образом включенной в эксперимент;

- разработку системы методических требований проведения занятий в специальном практикуме, дающей возможность диагностировать уровень экспериментальных умений и навыков студентов, осуществлять контроль за изменением этих показателей в процессе обучения.

Защищаемые положения проверены педагогическим экспериментом и подтверждают гипотезу исследования.

Основные результаты исследования внедрены в практику работы:

1) кафедры общей и экспериментальной физики Московского педагогического государственного университета имени В.И.Ленина (МПГУ);

2) кафедры физики Рязанского государственного педагогического университета (РГПУ);

3) кафедры физики Поморского международного педагогического университета (ПМПУ, г.Архангельск).

Апробация результатов исследования.

Настоящая работа выполнялась в рамках Государственной программы "Университеты России".

Результаты исследования докладывались на следующих конференциях:

- "Активные формы и методы обучения в вузе", г.Рязань, 1994 год;

- Конференция-выставка-ярмарка "Образование-94";

- Вторые рязанские педагогические чтения "Педагогические технологии в высшей школе", г.Рязань, 1995 год;

- III Конференция стран СНГ "Современный физический практикум", г.Звенигород, 1995 год;

а также на научно-методических семинарах кафедры общей и экспериментальной физики и кафедры методики преподавания физики (1991-1995 гг).

По теме исследования опубликовано 14 работ.

Две лабораторные работы, созданные в рамках данного исследования экспонировались на Конференции-выставке-ярмарке "Образование-94" (Москва, июль 1994 г.), одна работа - на Конференции-выставке-ярмарке "Образование-95" (Москва, июль 1995 г.), там же в качестве выставочного образца демонстрировался пакет программ для автоматизации лабораторного эксперимента.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографии, содержащей 161 наименование. Работа содержит всего 178 страниц машинописного текста, из них 136 страниц основного текста, 4 таблицы, 40 рисунков, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во "Введении" обосновывается актуальность, обсуждаются основные цели и задачи диссертационной работы, а также научная новизна и практическая ценность проведенного исследования.

Первая глава, носящая название "Современное состояние специальных практикумов по физике и пути их дальнейшего совершенствования", содержит анализ литературы, посвященной обсуждению современного состояния специальных практикумов по физике и перспектив их дальнейшего совершенствования. Обсуждается также методика применения персональных компьютеров в студенческих практикумах. Основное внимание при этом уделено обзору литературы, посвященной специальным практикумам по радиофизике. Проведен подробный анализ пособий для радиофизических специальных практикумов. На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

Проведенный анализ литературы показывает, что назрела необходимость пересмотра принципов создания специальных практикумов по физике в педагогических вузах. Требуется разработка их новой концепции, учитывающей современное состояние физической науки, техники эксперимента, имеющегося опыта преподавания, а также экономической ситуации, сложившейся в высшем педагогическом образовании. Большой интерес представляет практическая реализация специального практикума по физике, максимально удовлетворяющая основным положениям разработанной концепции.

Появление специальных практикумов в педагогических вузах и их тематика связаны с историей развития физической науки и техники. Чаще всего их содержание определялось не требованиями и спецификой педагогического вуза, а научными интересами соответствующих кафедр, имеющейся у них материально-технической базой и другими причинами, слабо связанными с вузовской педагогикой. Это наложило отпечаток на все описанные в литературе специальные практикумы.

Специальные практикумы поставлены по целому ряду разделов физики. Однако все они обладают общими чертами, что дает возможность проанализировать их достоинства и недостатки на примере какого-то одного практикума, относящегося к конк-

ретной области физики. В данной работе мы выбрали для анализа специальный практикум по радиофизике. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, радиофизика - перспективный раздел физики, методы ее исследований широко используются в других областях науки, во-вторых, специальные практикумы по радиофизике достаточно широко распространены, и в их содержании имеется много общего. При выборе объекта исследований сыграли роль также субъективные причины: работа выполнялась в рамках проводимой на кафедре общей и экспериментальной физики МПГУ им.В.И.Ленина модернизации имеющегося практикума по радиофизике.

На основе анализа специальных радиофизических практикумов, созданных в ведущих вузах страны можно сделать следующие выводы:

1) существующие практикумы по радиофизике для студентов в 60-70 годы представляли несомненный интерес;

2) многие из специальных практикумов устарели морально и технически, поэтому их модернизация сильно затруднена и вряд ли приведет к желаемому результату;

3) в известной нам литературе не описаны практикумы, отражающие современные достижения радиофизики в целом;

4) до сих пор не существует специального практикума по радиофизике, в котором бы разумно сочеталось использование современных приборов и ПК.

Эти выводы характерны не только для специальных практикумов по радиофизике, но и для большинства аналогичных учебных комплексов, относящихся к другим областям физики: полупроводникам, рентгеновским исследованиям, спектроскопии и т.п. Поэтому сделанные при анализе литературы выводы могут быть с небольшими вариациями распространены на все специальные практикумы по физическим дисциплинам.

Как показывает приведенный в данной главе обзор литературы, в последнее время в нашей стране и за рубежом появилось значительное число публикаций, посвященных различным аспектам использования ПК в учебном процессе, в том числе, психолого-педагогическим особенностям, разработке учебных программ, применению ПК в учебной лаборатории и т.д. (Основной идеей при этом является поиск оптимальных путей и способов их использования для целей обучения.

Особое внимание уделяется применению ПК при изучении физики, а также новым возможностям, которые в связи с этим появляются. В частности, компьютеризация обучения существенно изменяет методику формирования умений, так как обучаемый в процессе решения задачи может использовать готовые программы. Это весьма важно для практикумов, так как позволяет существенно сократить путь от формулировки гипотезы до ее проверки, а также дает больший простор для самоконтроля и самокоррекции. На основе обзора литературных данных сформулированы цели работы.

Во второй главе "Психолого-педагогические особенности обучения в специальном физическом практикуме" дается психолого-педагогическое обоснование обучения в

специальном практикуме по физике, обсуждается общая концепция его построения для педагогического вуза.

Психологическую основу создаваемого нами практикума составили идеи о роли процесса отражения в активной психической деятельности человека, выдвинутые в трудах русских и зарубежных психологов: Л.С.Выготского, А.Н.Леонтьева, П.Линдсея, Д.Нормана. При этом основной идеей является отказ от упрощенного понимания процессов активного внимания и творческого мышления, сводящего их к относительно простым законам структурного восприятия. Переработка поступающей информации должна рассматриваться как сложнейшая активная сознательная деятельность человека. Другими словами, инструментом анализа должен служить деятельностный подход. Основные теоретические положения, составляющие основу деятельностного подхода, заключаются в следующем: базой воспитательного и образовательного процессов является личная деятельность обучаемого, а функции преподавателя заключаются в умении направлять и регулировать эту деятельность. Преподаватель является организатором воспитывающей и обучающей среды, а также взаимодействия обучаемых с этой средой.

Наряду с этим учитывались основные психолого-педагогические задачи обучения: обучающая, развивающая и воспитательная, решение которых осуществляется с учетом основных дидактических принципов - научности, систематичности, доступности материала, наглядности и т.д. Эти задачи должны реализоваться при выполнении студентами лабораторных работ специального практикума.

Описанная в данной главе концепция специального практикума по физике педагогического вуза отличается от общепринятой в настоящее время. Она может успешно применяться в педагогических вузах, в которых имеется один специальный практикум или такой практикум вовсе отсутствует.

Концепция специального физического практикума педагогического вуза, отражающая специфические особенности подготовки учителей физики, содержит следующие основные положения:

- тематика специального практикума не может быть излишне узконаправленной, в него включаются работы, имеющие общефизический характер и относящиеся к различным разделам физики;

- лабораторные работы должны, по возможности, иметь непосредственное отношение к новейшим достижениям физической науки, включать изучение явлений, которые, в силу их новизны, недостаточно отражены в читаемых курсах;

- желательно использование в работах современной измерительной аппаратуры, приборов и методов измерений, при этом техника проведения сложного физического эксперимента и методика обработки его результатов также должна являться предметом изучения в специальном практикуме;

- целью выполнения каждой лабораторной работы должно являться понимание места изучаемого явления в единой физической картине мира, чему, например, может спо-

собствовать такое построение работ, при котором на основе экспериментальных данных рассчитываются фундаментальные физические константы; - использование компьютера в качестве измерительного, моделирующего и вычислительного устройства, возможно также его применение для управления экспериментом и для других целей.

В тех вузах, где исторически сложилась ситуация, когда на разных кафедрах существуют отдельные специальные практикумы, предложенная концепция может быть реализована в одном из них. При этом на факультете могут сосуществовать концептуально различные специальные практикумы, что обеспечивает студентам дополнительную возможность выбора. Концепция не ограничивает также перспектив создания специальных практикумов по смежным дисциплинам: информатике, астрономии, методике преподавания физики, которые существуют наряду с практикумом по физике и могут работать по иным правилам.

Знания и навыки, полученные в практикуме, где реализованы изложенные выше положения, существенным образом связаны с преподаванием физики в школе. Разнообразие тематики лабораторных работ, изучение явлений, лишь недавно открытых исследователями, облегчает формирование у будущих учителей единой естественнонаучной картины мира, расширяет их физическую эрудицию, усиливает интерес к физике. Эти качества, в конечном счете, передаются и их ученикам. Приобретенные экспериментальные навыки, в том числе умение взаимодействовать с компьютером в физической лаборатории, существенно обогащает арсенал методических приемов, которыми владеет школьный учитель физики.

С учетом указанных положений в настоящее время реконструируется специальный физический практикум кафедры общей и экспериментальной физики МПГУ им.В.ИЛешгаа. В специальном практикуме функционирует одиннадцать лабораторных работ, го которых студентам предлагается выполнить любые шесть. Пять из них являются модернизированными вариантами работ, имевшихся ранее в специальном практикуме по радиофизике МПГУ им.В.И.Ленина, а шесть - поставленными заново. Их тематика охватывает целый ряд разделов физики: механику, электричество и магнетизм, квантовую оптику, физику твердого тела, радиофизику, сверхпроводимость и др. Все работы являются комплексными, для их выполнения студенту необходимо знание всего курса физики.

Модернизированы поставленные ранее работы: "Изучение эффекта Холла", "Электронно-парамагнитный резонанс", "Изучение эффекта Допплера", "Изучение клистрона", "Изучение фазовой и групповой скорости".

К оригинальным работам относятся "Изучение хаотических колебаний", "Измерение скорости света в волоконном световоде", "Изучение стохастических явлений", "Исследование особенностей электромагнитного излучения СВЧ-диапазона волн",

"Фурье-спектроскопия", "Исследование температурной зависимости электропроводности высокотемпературных сверхпроводников".

Кроме того, планируется дополнить специальный практикум работами, находящимися сейчас в стадии разработки и макетирования: "Эффект Вавилова-Черенкова на СВЧ", "Томография", "Эффект Джозефсоиа, СКВИД и высокоточная магнитометрия", "Радиолокация", "Физика и археология (углерод С14)".

Для обоснования выбора содержания лабораторных работ сформулированы основные критерии:

1) изучаемые явления должны быть достаточно весомыми с точки зрения современной физики;

2) в основе лабораторных работ лежат исследования физической природы явлений с целью установления их связи с основными физическими законами и формирования естественно-научной картине мира;

3) возможность ознакомления студентов с новейшими методами физических исследований, современной научной аппаратурой, методикой проведения сложного физического эксперимента;

4) экспериментальные умения и навыки, полученные в практикуме, должны иметь достаточно общий характер и перспективу использования в последующей профессиональной деятельности;

5) содержание лабораторных работ должно естественным образом включать в эксперимент ПК, для ознакомления с различными методами его использования;

6) содержание лабораторных работ должно соответствовать основным дидактическим принципам: научности, систематичности, доступности, наглядности, способствовать формированию у обучаемых творческого подхода к учительской професаш, профессионализма и т.п.

Третья глава "Организация, содержание и методика проведения работ в специальном практикуме" содержит описание лабораторных работ, заново поставленных в специальном практикуме в соответствии с положениями разработанной концепции. Описание каждой работы включает краткое теоретическое введение, характеристику используемого оборудования, в том числе и компьютеров, методику выполнения работы.

В работах используется ПК "Правец-8А". При наличии соответствующего программного обеспечения возможности этого компьютера вполне достаточны для того, чтобы создавать базы данных, производить их обработку и выдавать интересующий результат в численном или графическом виде на дисплей или принтер. Система сопряжения установок с ПК достаточно проста и использует стандартные аналого-цифровые преобразователи. Хотя неоспоримыми преимуществами этого ПК является относительно невысокая стоимость и простота технического обслуживания, но при столь стремительном развитии компьютерной техники неизбежно его моральное старение. Поэтому

притиражировании следует иметь ввиду лишь описанную методику применения ПК и алгоритм программы, а не конкретную его модель. С неменьшим успехом для реализации высказанных выше положений могут быть использованы 1ВМ-совместимые ПК.

Разработанная нами концепция специального практикума предполагает наличие в нем работ, относящихся к различным областям физики. Классифицировать их проще всего, используя деление курса физики на традиционные разделы. Естественно, что многие лабораторные работы специального практикума включают понятия и методы нескольких разделов физики. Поэтому и классификация их в значительной мере условна.

Осташшгмся более подробно на описании оригинальных работ предлагаемого специального практикума по физике.

Принято считать, что достижения механики относятся в основном к прошлому. Однако и в последнее время были сделаны внушительные открытия в области нелинейной динамики. Эти открытия нашли отражение в лабораторной работе "Изучение хаотических колебаний". Она включает в себя математическое моделирование, компьютерный эксперимент на основе механической модели и непосредственное наблюдение хаотических колебаний в электрической цепи.

В описываемой лабораторной работе математическое моделирование хаотического поведения динамических систем выполняется на основе анализа логистического уравнения. С помощью ПК рассчитывается итерационный цикл, при этом информация выводится на экран дисплея в виде соответствующих графиков. При определенных значениях параметров этого уравнения возникают хаотические итерации, т.е. поведение модели уже не укладывается в рамки простого периодического движения.

Далее выполняется модельный компьютерный эксперимент. В качестве модели используется математический маятник с затуханием, точка подвеса которого под действием вьшуадающей силы совершает колебания в вертикальном направлении. Эта система является примером хаотического поведения, описываемого дифференциальным уравнением.

В экспериментальной установке в качестве нелинейного элемента используется варикап - элемент, имеющий нелинейную зависимость емкости от внешнего напряжения (это является основным условием возникновения хаоса). В процессе выполнения лабораторной работы студенты, варьируя входные параметры (напряжение и частоту) электрической схемы, наблюдают за изменением напряжения, снимаемого с варикапа. Визуализация результатов эксперимента осуществляется с помощью анализатора спектра и осциллографа.

Результатом лабораторной работы является вычисление постоянной Фейгенбау-ма, которая входит в разряд фундаментальных констант.

Оптика обычно широко представлена в физических практикумах. Однако измерение скорости света в них, как правило, не производится из-за технических сложное-

и

тей. Благодаря использованию быстродействующих полупроводниковых лазеров и приемников излучения удается в рамках студенческого специального практикума выполнить непосредственное измерение скорости света. Это осуществляется в работе "Измерение скорости света в волоконном световоде".

В установке используются два синхронизированных импульсных полупроводниковых лазера с близкими характеристиками. Излучение одного из них в виде коротких импульсов длительностью -10 не подается на вход волоконной линии длиной 300 м, а затем на приемник оптического излучения. Продетектированный' сигнал подается на вход осциллографа. Излучение другого лазера проходит более короткий путь: лазер ® приемник • осциллограф. Сравнивая времена прохождения импульсов, можно вычислить скорость прохождения излучения по волоконной линии.

Смысл данной работы состоит в исследовании параметров элементов, составляющих установку - волоконной линии, полупроводникового лазера, оптического приемника. Кроме того, здесь изучается механизм распространения света в волоконной линии, что само по себе является очень интересной и поучительной задачей.

В изучаемых на физическом факультете предметах, в том числе в курсах статистической физики и радиотехники не уделяется, по нашему мнению, должного внимания шумам - одному из фундаментальных эффектов, которые имеют место в физических системах любой природы. Этот пробел частично восполняет лабораторная работа "Изучение стохастических явлений".

При создании установки использовалась унифицированная электрическая схема для измерения характеристик различных типов шумов: теплового (при Т=300 К и 77 К), дробового, фликкер-шума. Объектом изучения являются, в основном, полупроводниковые приборы, так как в них проще всего реализовать ситуацию, при которой той или иной тип шума является преобладающим. Кроме того, техника измерения шумов полупроводниковых приборов сравнительно проста и не требует применения для их проведения уникального оборудования.

В процессе эксперимента на входе установки поочередно подается напряжение с одного из исследуемых объектов, затем через несколько каскадов усиления оно поступает на вход самописца и электронного осциллографа для визуального наблюдения шумовой дорожки. Для всех исследуемых объектов строится зависимость спектральной плотности того или иного типа шума от частоты.

Конечной целью лабораторной работы является сравнение частотных зависимостей спектральной плотности шумов различных типов, анализ которых позволяет сделать выводы об особенностях каждого из них. Кроме того, описанная лабораторная установка позволяет производить измерения для вычисления постоянной Больцмана.

До недавнего времени обсуждаемый специальный практикум являлся по преимуществу радиофизическим. И сейчас в нем радиофизические работы представлены достаточно широко. Лабораторная работа "Исследование особенностей электромагнитно-

го излучения СВЧ-диапазона волн" предполагает ознакомление студентов с основными видами СВЧ-техники и приобретение навыков работы с ней. Естественно, что для СВЧ-диапазона волн справедливы законы характерные для всех электромагнитных волн, но кроме того имеется ряд специфических эффектов, изучению которых и посвящена лабораторная работа.

Работа знакомит с принципами передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона с помощью рупорной и диэлектрической антенн, исследовать диаграммы направленности и поляризационные характеристики для Е и Н составляющих волны. Установка позволяет, изменяя конфигурацию тракта, исследовать различные СВЧ-эдементы: направленные ответвители, циркуляторы, р-1-п-аттенюаторы, а также измерять диэлектрическую проницаемость некоторых материалов на СВЧ.

Тема фурье-спектроскопии представлена в читаемых курсах довольно кратко, а использование фурье-преобразовання в современной физике и технике подробно не рассматривается. Между тем методы фурье-спектроскопии находят все более широкое применение в физике твердого тела, радиофизике, радиоастрономии и других областях.

В ходе лабораторной работы "Фурье-спектроскопия" изучается спектр монохроматического излучения 3-мм диапазона волн с помощью фурье-спектрометра, входным устройством которого является интерферометр Майкельсона. Использование в студенческом практикуме низкочастотного варианта спектрометра обусловлено рядом причин, в первую очередь, простотой технического обслуживания, а также наглядностью конструкции.

Электромагнитное излучение, поступающее на вход интерферометра, разделяется надвое. Затем, пройдя пути разной длины, оба сигнала подаются на квадратичный детектор, где происходит их интерференция. Продетектированное напряжение (автокорреляционная функция) поступает на вход компьютера, где происходит восстановление спектра исследуемого сигнала с помощью обратного преобразования Фурье.

В лабораторной работе предусмотрено выполнение двух заданий. В первом из них экспериментально измеряется аппаратная функция фурье-спектрометра, и по ней определяется разрешение прибора. Во втором задании исследуются спектры двух различных сигналов одинаковой мощности, отличающихся по частоте на ~1,5 ГГц, источниками которых являются лавинно-пролетные диоды.

Открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) позволило включить в состав специального практикума лабораторные работы, относящиеся к физике низких температур. Одна из них "Исследование температурной зависимости электропроводности высокотемпературных сверхпроводников", выполняется студентами уже в течение нескольких лет. Наряду с изучением собственно высокотемпературных сверхпроводников, в ней предусмотрено также рассмотрение вопросов получения, хранения и использования сжиженных газов, техники высокого вакуума и других вопросов физи-

ки низких температур, чему, как правило, не уделяется достаточного внимания в курсах молекулярной физики и термодинамики.

Экспериментальное исследование высокотемпературной сверхпроводимости дает основу для глубокого осмысления основных закономерностей поведения квантово-механических систем. В частности, в этом случае появляется возможность прямого наблюдения квантовых эффектов на макроскопическом уровне. Дидактическая ценность изучения сверхпроводимости состоит также и в том, что при этом оказывается завершенным изучение важнейшего раздела физики твердого тела, посвященного электрическим свойствам металлов, диэлектриков и полупроводников.

Целью этой лабораторной работы является изучение перехода высокотемпературного сверхпроводника в нормальное состояние, а также изучение конструкции простейших криогенных устройств и приобретение навыков работы с ними.

Каждая из работ практикума выполняется студентами 5 курса в течение одного занятия (б академических часов). Занятия в специальном практикуме проводятся по стандартной схеме: допуск -> выполнение ->защнта.

Опыт показал, что использование персональных компьютеров вносит изменение в учебный процесс, существенно повышает эффективность занятий и способствует лучшему усвоению изучаемого студентами материала. Так в течение одного занятия студентам удается освоить такое количество материала и выполнить столько практических заданий, на которые ранее, при отсутствии ПК, требовалось не менее двух занятий. При этом значительно повысился интерес студентов к изучаемым таким образом разделам физики и к практикуму в целом.

Несколько изменилась роль преподавателя в специальном практикуме. Так как он получил существенно большие возможности для осуществления индивидуального подхода к обучению, варьируя количество, характер и сложность заданий в зависимости от особенностей и интересов обучаемого.

В четвертой главе "Исследование эффективности обучения в специальном практикуме по физике" приводится описание педагогического эксперимента, подтверждающего эффективность предлагаемого специального практикума по физике.

Педагогический эксперимент состоял из нескольких этапов: констатирующего, обучающего и контрольного. Констатирующий этап проводился в 1991-1992 гг. и заключался в определении объекта исследования и изучении его состояния. В ходе данного этапа эксперимента для совершенствования был выбран конкретный специальный практикум, была изучена имеющаяся литература и опыт организации подобных специальных практикумов в других высших учебных заведениях. На основе анализа полученных данных была разработана концепция специального практикума и план ее реализации. На обучающем этапе были проведены исследования, направленные на выяснение сильных и слабых сторон специального практикума, созданного с учетом всех положений концепции. Исправление выявленных недостатков и итоговые исследования

эффективности специального практикума как формы обучения составили содержание третьего этапа. Ниже представлены результаты контрольного этапа.

Определение эффективности специального практикума по физике проводилось несколькими методами. Предпочтение при этом отдавалось методу опроса с помощью анкетирования и методу экспертных оценок. Следует заметить, что необходимость использования различных методов обусловлена объективными причинами, так как ни один из них не является абсолютным, применение же их в комплексе дает наиболее полный результат. Каждый из методов имеет преимущества и недостатки. Например, методом анкетирования можно получить количественную оценку результатов, но в тоже время с его помощью не всегда возможно отличить поверхностные знания от фундаментальных. Этот метод дополняется другими видами оценки знаний студентов - текущими опросами, беседами с преподавателем и зачетными опросами и т.д. Сочетании всех перечисленных методик позволяет наиболее полно оценить полученные студентами знания.

Анкета №1 была направлена на выявление имеющихся у студентов-выпускников знаний по конкретным разделам физики и 1гх эволюции в результате обучения в специальном практикуме. Она содержала вопросы, относящиеся к десяти различным разделам физики, являющимся теоретической основой работ специального практикума. Для простоты обработки анкеты вопросы были сгруппированы по темам.

Анкетирование проводилось в группе студентов выбравших данный специальный практикум (12 чел.) и группе студентов того же курса, но занимающихся в других специальных практикумах (12 чел.). Сравнение результатов анкетирования наглядно показало, что до начала занятий в практикуме группа имела уровень знаний характерный для всех студентов этого курса. Таким образом анкетирование проводилось со студентами, не проходивших специального отбора.

Анкетирование проводилось дважды до начала работы студентов в специальном практикуме и после ее окончания.

Анкета №2 ставила своей целью выяснение общего отношения студентов к специальному практикуму, обучению в нем, преподаванию и другим подобным вопросам. Анкетирование проводилась только после выполнения всех лабораторных работ практикума.

Метод анкетирования дал следующие результаты: прирост уровня знаний Л -0,84 усл.ед., что соответствует приблизительно 25 % от первоначального их уровня. Эта неличина колеблется от ~10 % для наиболее знакомых студентам тем до ~60 % для нового материала.

Важные результаты дает также опрос преподавателей-экспертов. Нами получены положительные отзывы преподавателей, использующих предлагаемую методику (4 чел.), из РГПУ и ПМПУ, а также положительные отзывы преподавателей ряда других вузов знакомых с данной работой по докладам на конференциях и переписке (5 чел.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ:

1. Выполнен анализ литературы, посвященной специальным физическим практикумам. На его основе сформулированы задачи диссертационной работы.

2. Разработана концепция специального практикума по физике педагогического вуза в современных условиях.

3. Разработаны и созданы оригинальные лабораторные работы "Изучение хаотических колебаний", "Измерение скорости света в волоконном световоде", "Изучение стохастических явлений", "Исследование особенностей электромагнитного излучения СВЧ-диапазона волн", "Фурье-спектроскопия", "Исследование температурной зависимости электропроводности высокотемпературных сверхпроводников".

4. Модернизированы установки работ, поставленных ранее в радиофизическом специальном практикуме МПГУ им.В.ИЛенина: "Изучение эффекта Холла", "Электронно-парамагнитный резонанс", "Изучение эффекта Дошшера", "Изучение клистрона", "Изучение фазовой и групповой скорости".

5. Намечено создание следующих оригинальных лабораторных работ: "Эффект Вави-лова-Черенкова на СВЧ", "Томография", "Эффект Джозефсона, СКВИД и высокочастотная магнитометрия", "Радиолокация", "Физика и археология (углерод С14)".

6. Разработана методика проведения лабораторных работ в специальном практикуме.

7. Проведен педагогический эксперимент, результаты которого подтвердили правильность гипотезы исследования. Об этом свидетельствуют результаты анкетирования студентов, а также положительные отзывы преподавателей экспертов.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Ильин В.А., Красников A.C., Петрова Е.Б., Семин И.А. Изучение сверхпроводимости в практикуме по физике.// Вестник Рязанского пед. инст. 1993. Вып.1. С.28-30.

2. Гершензон В.Е., Ездов A.A., Ильин В.А., Камнев Д.Ю., Петрова Е.Б. Использование персонального компьютера системы "Apple II" в физическом практикуме педагогического института. // Тез.докл.конф. "Активные формы и методы обучения в вузе". Рязань: 1994 г. С. 165-167.

3. Iljin V.A., Petrova E.B. Ein Praktikumsversuch zur Bestimmung der Kritischen Temperatur von Hoch-temperatur Supraleitern. // "Phusik und Didaktik", München, 1994. N 1. S .69-71

4. Ездов A.A., Ильин В.А., Камнев Д.Ю, Петрова Е.Б. Использование ПК в лабораторной работе по изучению особенностей электромагнитного излучения СВЧ-диапазона волн. // Изв.ВУЗов. Физика. 1994. N 8. С.112-116.

5. Ездов A.A., Ильин В.А., Петрова Е.Б. Изучение хаотических колебаний в практикуме по радиофизике. // Изв.ВУЗов. Физика. 1995. N 1. С.62-65.

6. Ильин В.А., Петрова Е.Б. Специальный практикум педагогического вуза: концепция и воплощение. // Тез.докл.конф. "Педагогические технологии в высшей школе". Рязань: 1995. С.84-86.

7. Гсршензон В.Е., Ездов A.A., Ильин В.А., Камнев Д.Ю., Петрова Е.Б. Автоматизация лабораторных работ физического практикума с помощью персональных компьютеров системы APPLE-II. // Материалы Конференции-Выставки-Ярмарки "Образование-94". Москва: 1994. С.16.

8. Веревкин A.A., Ильин В.А., Липатов А.П., Чернов Д.Я. Изучение Фурье-спектроскопии в специальном физическом практикуме. // Сб."Преподавание физики в высшей школе". Москва: 1994. N 1. С.7-14.

9. Гершензон В.Е., Ездов A.A., Ильин В.А., Камнев Д.Ю., Петрова Е.Б. Автоматизация лабораторных работ физического практикума с помощью персональных компьютеров системы APPLE-II. // Сб. "Преподавание физики в высшей школе". Москва: 1994. N1. С.28-33.

Ю.Ездов A.A., Ильин В.А., Петрова Е.Б. Изучение хаотических колебаний в лабораторном практикуме. // Сб."Преподавание физики в высшей школе". Москва: 1994. N1. С.40-52.

11.Ильин В.А., Камнев Д.Ю., Петрова Е.Б. Знакомство со стохастическими явлениями (лабораторная работа). // Сб."Преподавание физики в высшей школе". Москва: 1994. N1. С.53-57.

12.Ильин В.А., Петрова Е.Б. Специальный практикум педагогического ВУЗа: концепция и воплощение// Сб."Преподавание физики в высшей школе". Москва: 1995. N2. С.67-73.

13.Веревк1ш A.A., Ильин В.А., Липатов А.П., Петрова Е.Б., Чернов Д.Я. Изучение фурье -спектроскопии в физическом практикуме. // Известия ВУЗов. Физика. 1995. N 8. С.125-127.

14.Ильин В.А., Петрова Е.Б. Специальный физический практикум педагогического ВУЗа: концепция и конкретное воплощение. // Тез.докл.Ш Конф.стран СНГ."Совре-менный физический практикум". Звенигород: 1995. С.35.

Подл, к печ. 19.10.95 Объем 1 п. л. Зак. 276 Тир. 100 Типография МПГУ имени В.И. Ленина