Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты

Вараксина, Екатерина Ивановна

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

автореферат и диссертация по педагогике 13.00.02 для написания научной статьи или работы на тему: Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты

Автореферат

Автор научной работы: Вараксина, Екатерина Ивановна
Ученая степень: кандидата педагогических наук
Место защиты: Глазов
Год защиты: 2006
Специальность ВАК РФ: 13.00.02

Диссертация

Автореферат диссертации по теме "Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты"

На правах рукописи

ВАРАКСИНА Екатерина Ивановна

ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА УЧЕБНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С УПРУГИМИ ВОЛНАМИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДИАПАЗОНА НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

13.00.02 Теория и методика обучения и воспитания

(физика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук

Киров - 2006

Работа выполнена на кафедре общей 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 технических наук, профессор

Жаворонков Владимир Иванович

кандидат педагогических наук Исупов Михаил Васильевич

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования " Пермский государственный педагогический университет"

Защита состоится 19 сентября 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета КМ 212.041.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования " Вятский государственный гуманитарный университет" по адресу: 610002, г. Киров, ул. Ленина, д. 111, ауд. 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Вятский государственный гуманитарный университет".

Автореферат разослан 15 августа 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К. А. Коханов

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, Л. И. Анциферова, М. Н. Башкатова, Э. В. Бурсиана, П.П.Головина, М.И.Гринбаума, Г.И.Жерехова, Б.С.Зворыкина, О.Ф. Ка-бардина, В. Ф. Колупаева, В. В. Майера, Р. В. Майера, Н. Я. Молоткова, Г.Г.Никифорова, Ю. Ф. Огородникова, Б. Ш. Перкальскиса, Р.В.Поля,

A. Портиса, М. М. Терентьева, С. А. Хорошавина, Н. М. Шахмаева, Н. И. Ше-фера, 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, В. С. Данюшенкова, И. Я. Даниной,

B.Г.Разумовского, 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, С. 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 опытов. В частности, наблюдения показывают, что эксперимент недостаточно используется на уроках физики, посвященных изучению упругих волн. Исследования проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами проведены Е.С.Агафоновой, Н.Л.Бронниковым, А.Р.Геннингом, В. Ф. Колупаевым, В. И. Краснюком, Б.Б.Кудрявцевым, В.В.Майером, Р.В.Майером, Н. М. Маркосовой, А.С.Мельниковым, В. Ф. Ноздревым, А. С. Смагиным, В. И. Соломкиным, Н. М. Шахмаевым. Однако не существует методики, обеспечивающей систематическое использование на уроках физики доказательного и эффектного учебного эксперимента, раскрывающего сущность явлений, связанных с упругими волнами. Дидактическая теория

учебного эксперимента с упругими волнами, объясняющая факт недостаточного его применения при обучении и позволяющая вывести в качестве следствий дидактические проекты совершенствования учебного эксперимента, не разработана. Это обосновывает актуальность проблемы исследования теории и методики учебного физического эксперимента с упругими волнами.

Проблема исследования заключается в преодолении следующих противоречий:

• между необходимостью формирования творческой, способной к самообразованию личности, владеющей основами метода научного познания, и недостаточной разработанностью элементов учебной физики, обеспечивающих учебное и научное познание при изучении упругих волн в школе и вузе;

• между созданными и описанными в методической литературе системами учебного эксперимента с упругими волнами акустического и ультраакустического диапазонов и недостаточным их использованием в реальном учебном процессе средней и высшей школы;

• между необходимостью обеспечения учебного процесса современными поучительными, простыми и эффектными опытами и отсутствием методических рекомендаций по их использованию на уроках физики при изучении упругих волн;

• между имеющимися в распоряжении учителя физики материальными и временными ресурсами и необходимостью организации активной учебно-исследовательской деятельности учащихся по созданию учебного оборудования для экспериментального изучения упругих волн;

• между существующими проблемами использования учебного эксперимента с упругими волнами и неразработанностью дидактической теории учебного эксперимента вообще и учебного эксперимента с упругими волнами в частности, позволяющей предсказать пути его совершенствования.

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

Предмет исследования: учебный физический эксперимент для изучения упругих волн в курсах физики средней общеобразовательной и высшей педагогической школы.

Цель исследования: создание системы учебных опытов с ультразвуком низкой частоты, обеспечивающей совершенствование процесса изучения основ физики упругих волн.

Гипотеза исследования: Если повысить доступность приборов для получения ультразвука, учебность эксперимента с ультразвуком низкой частоты, эффективность методики его использования на уроках физики и во внеурочной работе с учащимися, то окажется возможным совершенствование процесса изучения упругих волн, так как 1) появятся новые элементы учебной физики, обеспечивающие учебное и научное познание физических явлений в совместной деятельности учителя и ученика; 2) система учебного эксперимента с упругими волнами будет дополнена поучительными, эффектными и интересными для учащихся опытами; 3) самостоятельное изготовление приборов будет способствовать формированию экспериментальной подготовленности учащихся; 4) новые элементы учебной физики обеспечат возможность 4

создания полноценного элективного курса по изучению упругих волн на основе ультразвука низкой частоты.

Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.

1. Проанализировать современное состояние изучения упругих волн в школе и вузе. Изучить требования стандарта, содержание школьных и вузовских учебников по физике, физических практикумов и другой учебной и методической литературы, исследований, посвященных учебному физическому эксперименту с упругими волнами.

2. Выявить основные проблемы методической подготовки студентов педагогического вуза, влияющие на результат процесса изучения упругих волн, раскрыть содержание этих проблем.

3. Построить дидактическую теорию учебного физического эксперимента с упругими волнами. Проанализировать систему учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты и сформулировать основные проблемы его совершенствования.

4. Разработать доступные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты. Повысить учебность эксперимента с ультразвуком низкой частоты, создав новые опыты и учебные теории, усовершенствовать существующие. Разработать методику использования ультразвука низкой частоты при организации научного и учебного познания. Разработать элективный курс 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 для формирования экспериментальной подготовленности учащихся и организации деятельности студентов педагогического вуза по проектированию содержания учебных занятий.

Применялись следующие методы исследования. 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) проектирование методик изучения упругих волн в курсах физики средней и высшей школы; 4) создание дидактической теории учебного физического эксперимента; экспериментальные: 5) опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; 6) разработка новых элементов учебной физики, включающих учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения; 7) внедрение результатов исследования в учебный процесс средней и высшей школы; 8) проверка следствий дидактической теории в педагогическом эксперименте.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

1) предложена дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами, включающая факты, теоретическую модель и следствия, справедливость которой обоснована педагогическим экспериментом;

листе и ультразвукового капиллярного эффекта; 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;

3) разработаны новые учебные эксперименты по изучению прямого маг-нитострикционного эффекта, по исследованию явления интерференции изгиб-ных 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; предложен простой способ оценки амплитуды колебаний вибратора магнитострикционного излучателя и простой вывод формул для радиационного давления упругой волны.

Теоретическая значимость определяется тем, что в сфере дидактики физики

1) предложена новая дидактическая теория учебного физического эксперимента;

2) теоретически обоснована необходимость совершенствования учебного эксперимента с упругими волнами с целью повышения его учебности;

3) определены содержание и структура понятия экспериментальной подготовленности учащихся и будущих учителей физики.

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 элементы учебной физики, которые можно непосредственно применять на учебных занятиях и в учебно-исследовательской деятельности учащихся при изучении механических волн и акустики;

3) разработаны содержание и методика лекционных и лабораторных занятий, обеспечивающих изучение физики упругих волн на основе ультразвука низкой частоты в рамках курса экспериментальной физики; предложен элективный курс по изучению упругих волн, предназначенный для учащихся средней школы.

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

Достоверность и обоснованность результатов исследовалия определяется опорой на фундаментальные положения дидактики физики; научным анализом проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами; экспериментальным доказательством возможности применения ультразвука низкой частоты для изучения 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 физическом факультете ГОУ ВПО "Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко", Вятского государственного гуманитарного университета и Уральского государственного педагогического университета, 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 (2003-2006 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.), научно-практических всероссийских конференциях "Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения" в Глазове (2004, 2005, 2006 гг.). Основные результаты исследования представлены в 19 публикациях автора.

Положения, выносимые на защиту г

1. Построенная дидактическая теория позволяет объяснить факт недостаточного использования учебного физического эксперимента при изучении упругих волн.

2. Из предложенной дидактической теории следует необходимость совершенствования учебного физического эксперимента с упругими волнами с целью повышения его учебности, развития экспериментальной подготовленности будущих учителей физики и формирования умений проектирования содержания учебных занятий.

3. Разработанные элементы учебной физики позволяют дополнить существующую систему учебного эксперимента с упругими волнами поучительными, эффектными и интересными для учащихся опытами, организовать учебное и научное познание в совместной деятельности учителя и ученика. Их использование способствует формированию экспериментальной подготовленности учащихся.

Логика исследования включает следующие этапы.

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

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 происходит дальнейшее исследование учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Проведен опосредованный и прямой педагогический эксперимент в школе. Построена дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами. Осуществлено руководство 19 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 22 комплекта приборов для опытов с ультразвуком.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 220 страниц, она содержит 55 рисунков и 9 таблиц. Библиографический список содержит 222 источника 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 "Дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами" проведен анализ существующей системы изучения физики упругих волн в школе и вузе, различных факторов, влияющих на результат освоения учащимися эксперимента и теории по этой теме. В главе рассмотрена проблема экспериментальной подготовки учителя физики, которая и определяет эффективность процесса изучения упругих волн в школе. Заканчивается глава построением теоретической модели учебного физического эксперимента с упругими волнами.

В первом параграфе "Фактическое содержание изучения упругих волн в школе и вузе" 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 дополнительней! литература для школьников, вузовские учебники и практикумы, а также методические работы, посвященные учебному физическому эксперименту.

Это позволило выявить проблему недостаточного использования эксперимента при изучении упругих волн в школе. В вузе явления физики упругих волн тоже изучаются в основном теоретически. Работы физических практикумов, посвященные волнам и акустике, мало способствуют формированию экспериментальной подготовленности студентов, так как предполагают выполнение работ на готовом сложном оборудовании. Отсюда следует необходимость совершенствования учебного эксперимента, учебной теории и методики

их использования при изучении упругих волн как в средней школе, так и в педагогическом вузе.

Изучение дидактических исследований, выполненных за последние десятилетия, показало, что главными направлениями развития учебного эксперимента с упругими волнами следует считать создание и совершенствование систем опытов по акустике и ультраакустике (ультразвук низкой частоты, ультразвук высокой частоты, ультразвуковые импульсы).

Полная система учебного физического эксперимента с упругими волнами звукового диапазона, которая позволяет изучить основные акустические явления и сформировать понятие волнового движения, разработана в исследованиях Е.С.Агафоновой и Р.В.Майера. Особенности разработанных систем акустического эксперимента заключаются в том, что это в основном демонстрационные опыты. Они позволяют полностью обеспечить учебным экспериментом изучение акустики в школе и вузе. Однако эта система имеет недостатки: она основана на уникальном оборудовании и поэтому мало используется в школе, не позволяет изучить распространение упругих волн в жидких и твердых телах, не дает представления об их практическом применении. Несмотря на большое значение в познавательном смысле, акустический эксперимент недостаточно способствует развитию интереса и экспериментальных умений школьников, которые развиваются в основном в процессе самостоятельной работы учащихся. Некоторые явления физики упругих волн нельзя изучить, используя эксперимент с упругими волнами только звукового диапазона. Индивидуальный самостоятельный эксперимент по упругим волнам разработан недостаточно.

Анализ работ по ультраакустическому эксперименту, выполненных В. Ф. Колупаевым, Н. М. Маркосовой, В. Ф. Ноздревым и др., показывает, что имеются методики его применения в школьном курсе, в том числе обеспечивающие самостоятельный эксперимент учащихся. Однако ультраакустический эксперимент не позволяет изучить все волновые явления.

Таким образом, методику использования в учебном процессе акустического и ультраакустического эксперимента нельзя считать завершенной: изложение в учебниках теоретического материала не предполагает систематического подтверждения выводов теории доказательным экспериментом, дидактическая технология применения упругих волн ультразвукового диапазона при изучении явлений акустики вообще не разработана. Во всех учебниках, практикумах, методических пособиях по эксперименту, хотя и подчеркивается, что ультразвук и звук отличаются лишь частотным диапазоном, но ультразвук рассматривается отдельно и не используется для формирования основных понятий, касающихся волнового движения.

Во втором параграфе "Процесс изучения упругих волн и проблема подготовки учителя физики" показано, что успешность учебного процесса по изучению упругих волн определяется не только разработанностью этого элемента учебной физики, 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.

Экспериментальная подготовка учащегося должна включать следующие компоненты.

1. Осознание роли эксперимента в познании предполагает понимание значения и функций эксперимента в теоретическом и экспериментальном циклах научного и учебного познания (В.Г.Разумовский).

2. Интерес к эксперименту характеризуется отношением к экспериментальной деятельности, он наиболее развит, когда учащийся сам высказывает идею опыта, предлагает способы создания условий, ставит и анализирует эксперимент.

3. Экспериментальные умения включают умения создать условия эксперимента, получить результат и проанализировать его.

Экспериментальная подготовка может осуществляться только в деятельности по освоению конкретных элементов учебной физики. Большими дидактическими возможностями в этом отношении обладает ультразвук низкой частоты.

Умение проектировать содержание учебного занятия должно формироваться в вузе и включать умения определить место, значение и методику использования конкретных элементов учебной физики в системе изучения тем школьного курса.

В третьем параграфе "Дидактическая теория учебного эксперимента с упругими волнами" раскрыт завершающий этап проведенного дидактического исследования учебного физического эксперимента с упругими волнами. Его результатом явилась дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами. Следствия этой теории представляют собой те проблемы, которые удалось решить в ходе исследования. Схематически структура и содержание дидактической теории учебного физического эксперимента в общем виде представлены в табл. 1. Применительно к упругим волнам содержание этой теории таково.

Факты. К ним относятся дидактические явления, характеризующие современное изучение упругих волн в школе и вузе. Система учебного эксперимента с ультразвуком характеризуется следующим состоянием. В 1950-1980 гг. были написаны книги, посвященные учебному физическому эксперименту с ультразвуком (Б. Б. Кудрявцев, Н. М. Маркосова, В. Ф. Ноздрев, В. В. Майер). С тех пор таких работ, посвященных опытам с ультразвуком для школьников, не было. По эксперименту с ультразвуком были защищены диссертации (В.И.Соломкин, Н.М.Маркосова, Н.Л.Бронников, В.Ф.Колупаев и др.). Ряд публикаций в журнале "Физика в школе", посвященных ультразвуку, приходится на 1955-1975 гг. Начиная с середины 70-х годов интерес методистов к проблемам ультраакустики снижается. Таким образом, создано учебное оборудование и система учебного эксперимента с ультразвуком. Однако в школе она не применяется. Существует система учебного эксперимента по акустике (Е. С. Агафонова, Р. В. Майер), позволяющая изучить все основные волновые явления физики упругих волн; в настоящее время в школе она тоже практически не используется.

Модель. Известные законы дидактики физики {создания, совершенствования, завершенности) указывают направления развития элемента учебной физики "Упругие волны" и содержат критерии положительного результата 10

Таблица 1

Структура и содержание дидактической теории учебного физического эксперимента

ФАКТЫ

• Современная методика «учения

«Система учебного физического эксперимента (элементы учебной фиэики)

• Требования стан- • Знания

дарта и программы • Умения

♦ Учитель: умения * Интерес

• Ученики: интересы.

мотивы

ЭКСПЕРИМЕНТ

• Создание

приборов

• Созданиеи совершенствование учебного физического зкслеримантаи учебной теории

• Новые методики:

1) урок фиат

2) элективный курс

3) исследовательская деятельность

• Педагогический эксперимент

МОДЕЛЬ

ОБЪЯСНЕНИЕ ШШШШШШ ЗАКОНЫ

щшщШшт ФИЗИКИ

• Низкая учебность элемента учебной физики

• Недостаточная экспериментальная подготовка учителей

• Недостаточная эффективность методики

• Если в соответствии с законами дидактики физики усовершенствовать элемент учебной физики, то возможно получение более высокого результата обучения

• Создания

• Совершенствования

• Завершенности

СЛЕДСТВИЯ

• Дидактические

• Метод» некие

• Пскхопопмеасие

• Технологические

• Теяюлогаи изготовления доступных приборов

• Идеи совершенствования эксперимента

• Идеи создания новых элемента» учебной физики

• На уроке

• Во внеурочной деятельности

• Предположение

о возможном форми-ровамм знаний, умений, интереса

соответствующего дидактического исследования. Они позволяют сформулировать гипотезу этого исследования: если усовершенствовать элемент учебной физики "Упругие волны" в соответствии с законами дидактики физики, то возможно решение проблемы повышения его учебности, а следовательно, более успешного использования в учебном процессе. Из такой гипотезы следует объяснение имеющихся фактов. Система учебного эксперимента с ультразвуком не используется, поскольку ее учебность относительно низка (недостаточны фундаментальность, дидактичность, безопасность, доступность, самостоятельность, индивидуальность). Система эксперимента с упругими волнами слышимого диапазона также мало используется, хотя и позволяет полностью изучить все волновые явления: низки параметры интересности, индивидуальности, самостоятельности, доступности.

Следствия дидактической теории учебного эксперимента с упругими волнами — это дидактические проекты повышения учебности элемента учебной физики "Упругие волны" и проекты организации деятельности по изучению упругих волн. Анализ существующей системы учебного эксперимента позволяет выявить проблемы, из которых следуют проекты учебного физического эксперимента с упругими волнами. Так появляются идеи создания доступных технологий изготовления генератора и излучателя упругой волны, требующих меньше временных, материальных и других затрат, повышающих безопасность, расширяющих возможности изготовления приборов в домашних условиях. Идеи создания нового учебного эксперимента и идеи совершенствования существующих экспериментов с упругими волнами возникают при использовании их в учебном процессе. При пересмотре содержания появляются идеи формирования основных понятий, касающихся волн и акустики, на уроке в рамках существующей методики; методики использования нового элемента учебной физики во внеурочной работе, в элективном курсе; методики учебно-исследовательской деятельности и т. д.

Эксперимент для проверки следствий дидактической теории включает изготовление генератора и излучателя в соответствии с задуманной технологией, исследование возможности использования их в учебных экспериментах, выявление и устранение недостатков учебного оборудования, организацию их изготовления учащимися; проведение учебного физического эксперимента с ультразвуком низкой частоты, решение поставленных проблем, создание новых экспериментов, совершенствование существующих; разработку программы элективного курса, разработку методики проведения курса экспериментальной физики по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты, осуществление учебно-исследовательской работы со студентами и т. д., то есть организацию учебного процесса. В результате наблюдаются конкретные явления: заинтересованное отношение школьников и студентов, развитие у них экспериментальных умений, появление новых знаний, овладение основами метода научного познания.

Первая глава заканчивается рассмотрением конкретных проблем, которые возникли при анализе учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты.

Во второй главе "Совершенствование элемента учебной физики "Упругие волны" " предложены разработанные в результате дидактического иссле-12

дования доступные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты. Рассмотрены новые и усовершенствованные элементы учебной физики, которые могут быть использованы на уроках, внеурочных занятиях и учебно-исследовательской деятельности учащихся, при организации учебного и научного познания.

В первом параграфе "Повышение доступности приборов для получения упругих волн" приведено описание магнитострикционного излучателя ультразвука низкой частоты, изготовление которого не требует наличия специальных умений и может быть выполнено даже в домашних условиях. 1

Далее рассмотрена разработанная конструкция ультразвукового генератора. Дидактическое исследование показало, что сборку генератора проще всего осуществить методом навесного монтажа (рис. 1). Для этого нами разработана специальная монтажная схема. Мы руководствовались необходимостью придания генератору наглядного и эстетичного внешнего вида, обеспечения жесткости конструкции, минимального числа узлов соединения радиодеталей, простоты и надежности крепления их друг с другом. Генератор работает от батареек, поэтому не требует сетевого источника питания. Также нет необходимости в сложных технических работах, для которых необходимы условия мастерской. Возможна доработка ультразвукового генератора для получения ультразвука средней частоты с использованием специальных магнитострикционных излучателей.

Во втором параграфе " Совершенствование эксперимента с упругими волнами и создание новых элементов учебной физики" описаны элементы учебной физики, большинство из которых может быть использовано на уроке при формировании основных понятий, связанных с источниками волн, с явлением интерференции, со стоячей волной, с радиационным давлением волны, с практическим применением упругих волн и т. д. Более глубокое их изучение возможно во внеурочной работе и в учебно-исследовательской деятельности.

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Разработаны опыты по фокусировке изгибных волн при отражении от эллиптического (рис. 2), 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.

5. Рассмотрена возможность использования изгибных волн при изучении основных волновых явлений: преломления, рассеяния, отражения, волноводного распространения, интерференции, стоячей волны в пластинках.

6. 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.

7. Разработаны несколько демонстрационных вариантов опытов по изучению нелинейных эффектов.

Рис.3

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

9. Усовершенствованы несколько опытов по практическому применению ультразвука: по наблюдению образования аэрозоля, горючей смеси (рис.3), коагуляции, сверлению.

В третьем параграфе "Организация научного и учебного познания при изучении упругих волн" на конкретных примерах исследования явления визуализации поверхностей равных фаз бегущей волны, изучения характеристик упругой волны, исследования звукокапиллярного эффекта показана возможность организации процесса научного (а следовательно, и учебного) познания в теоретическом и экспериментальном циклах, их равноценность, одинаково высокая эффективность и относительная незавершенность.

1. Рассмотрено явление визуализации линий равных фаз (рис.4) 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.

Ряс. 4

2. Предложен учебный эксперимент и методика, позволяющие в демонстрационном опыте экспериментально доказать, что звук определенной частоты в воздухе является упругой волной, близкой к гармонической. Источником звука является динамик, подключенный к генератору. Микрофон, усилитель и лампа накаливания образуют звуковой индикатор. В состав ин-

дикатора также входят потенциометр, предназначенный для регулировки амплитуды опорного сигнала, и конденсатор, предотвращающий шунтирование входа усилителя потенциометром. Электронный осциллограф позволяет получить осциллограмму звукового давления.

3. Разработана учебная теория интересного 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 кави-тационные 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.

В третьей главе " Методика использования учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты в учебном процессе" описан педагогический эксперимент и выполнена статистическая обработка его результатов.

В первом параграфе "Методика экспериментальной подготовки студентов при изучении упругих волн" показано, что использование в учебном процессе разработанных элементов учебной физики с ультразвуком низкой частоты способствует формированию экспериментальной подготовленности учащихся при изучении упругих волн.

Во—первых, обосновано, что приборы для эксперимента с ультразвуком низкой частоты доступны для изготовления учителю и учащимся. Это положение было доказано в рамках экзамена по экспериментальной физике. 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.

Также в рамках курса экспериментальной физики был проведен лабораторный практикум, предусматривающий самостоятельное выполнение студентами учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Студентами было выполнено 10 лабораторных работ.

Доказано, что учебный эксперимент с ультразвуком низкой частоты может быть эффективно использован в научно-исследовательской деятельности учащихся, при выполнении курсовых и дипломных работ.

Во втором параграфе "Методика подготовки будущих учителей физики к проектированию содержания учебного занятия" показано, что возможно построение элективного курса по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты, проектирование студентами педвуза занятий этого элективного курса и уроков по изучению механических волн и акустики в школе.

В третьем параграфе "Использование ультразвука низкой частоты при изучении физики упругих волн" показано, что целесообразна организация целостного процесса обучения физике упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты в курсе экспериментальной физики в педагогическом вузе и в школьном курсе физики.

В табл. 2 представлено содержание педагогического эксперимента по подтверждению справедливости гипотезы исследования.

Таблица 2

Содержание педагогического эксперимента

Компоненты педагогического эксперимента Положения, обоснованные педагогическим экспериментом

1. Экзамен по экспериментальной физике, Глазовский пединститут, 17 человек (2003). Даже при отсутствии навыков паяния, представлений о методах сборки и налаживания электронных приборов изготовление ультразвукового генератора и магкитострикционного излучателя в соответствии с предложенными в работе конструкциями и технологиями доступно для студента физического факультета, а значит, и для учителя физики.

2. Экзамен по экспериментальной физике, Глазовский пединститут, 36 человек (2004). Если студентам предоставить программу элективного курса, содержащую общие положения методики изучения ультразвука низкой частоты, тематику учебных занятий и список литературы, то они смогут предложить методику конкретного занятия, опирающуюся на демонстрацию учебных опытов.

3. Экспертная оценка, Глазовский пединститут, 36 человек (2004). Если выпускникам физического факультета педагогического института продемонстрировать учебный эксперимент по обоснованию характеристик упругой волны, то ояи смогут произвести оценку его учебности.

4. Мастер-классы: Вятский государственный гуманитарный университет, Уральский государственный педагогический университет, 12 человек (2005). Если предоставить инструкцию и все необходимое для сборки генератора и излучателя ультразвука, то за несколько часов студенты без специальной подготовки в состоянии изготовить приборы, освоить и продемонстрировать несколько опытов с ультразвуком низкой частоты.

5. Курс экспериментальной физики, лекционные занятия 28 часов, лабораторный практикум 28 часов, Глазовский пединститут, 36 человек (2005). Если при изучении упругих волн использовать учебный физический эксперимент с ультразвуком низкой частоты, то возможна такая организация обучения, при которой обеспечены: 1) экспериментальное изучение всех явлений в демонстрационном или лабораторном вариантах; 2) усвоение большинством студентов теоретического объяснения и экспериментального обоснования изучаемых явлений; 3) связь изучаемого материала со школьным курсом физики; 4) возможность построения различных методик использования учебных экспериментов в школьном курсе.

6. Выполнение студентами курсовых и дипломных работ, Глазовский пединститут, 19 человек (2004-2006). Если организовать учебно-исследовательскую деятельность студентов по изучению учебного физического эксперимента с ультразвуком низкой частоты, то будут обеспечены совершенствование их экспериментальной подготовленности и получение студентами новых в учебной физике результатов.

7. Опосредованный педагогический эксперимент в школе, Глазовский пединститут, школы г. Глазова, более 106 школьников и 6 студентов (2004-2006). Если в учебно-исследовательской деятельности студенты разрабатывали и совершенствовали учебный эксперимент с упругими волнами и методику его использования на уроках физики, то они смогут спроектировать и провести учебное занятие с использованием учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты при изучении физики в школе. Учебный физический эксперимент с ультразвуком интересен школьникам, его целесообразно применять в школе при изучении механических волн.

8. Использование ультразвука низкой частоты при изучении механических волн в школе, Глазовский физико-математический лицей, 44 человека (2006). Если при изучении упругих волн продемонстрировать школьникам серию опытов с ультразвуком низкой частоты, то опыты вызовут интерес учащихся и расширят их кругозор, а знания учащихся станут более живыми и действенными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование показало, что совершенствование процесса изучения упругих волн возможно, если повысить учебность эксперимента с ультразвуком низкой частоты, сделать доступным изготовление приборов для его получения и дополнить существующую систему учебного эксперимента с упругими волнами опытами с ультразвуком низкой частоты. Эти эксперименты интересны для учащихся, их использование способствует развитию экспериментальной подготовленности и формированию знаний о явлениях физики упругих волн. В исследовании решены следующие задачи.

1. Посредством изучения научной, учебной и методической литературы проанализировано современное состояние изучения упругих волн в школе и вузе. Рассмотрены требования стандарта, содержание школьных и вузовских учебников по физике, физических практикумов и другой учебной и методической литературы, а также результаты исследований, посвященных учебному физическому эксперименту с упругими волнами. Обоснована необходимость совершенствования методики изучения упругих волн.

2. Сформулированы основные проблемы подготовки студентов педагогического вуза, влияющие на результат процесса изучения упругих волн, раскрыто содержание этих проблем. Особое внимание обращено на проблему экспериментальной подготовленности будущих учителей физики и проблему развития умения проектировать содержание учебного занятия. В системе экспериментальной подготовленности выделено три компонента: интерес к эксперименту, экспериментальные умения и осознание роли эксперимента в научном познании.

3. Проанализирована система учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты и сформулированы основные проблемы ее совершенствования. Рассмотрена возможность построения теории учебного физического эксперимента и построена дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами, которая объясняет факт недостаточного использования учебного эксперимента при изучении упругих волн и допускает следствия, позволяющие спроектировать пути решения проблем.

4. Предложены доступные конструкции и технологии изготовления ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя ультразвука низкой частоты. Проведено дидактическое исследование учебного эксперимента с упругими волнами, результатом которого стало повышение учебно-сти эксперимента с ультразвуком низкой частоты, создание новых опытов и учебных теорий, совершенствование существующих опытов. Разработаны элементы учебной физики, позволяющие использовать ультразвук низкой частоты при организации научного и учебного познания учащихся.

5. Педагогическим экспериментом проверена возможность развития экспериментальной подготовленности учащихся при изучении упругих волн. Доказано, что приборы для получения ультразвука низкой частоты доступны для учителя и учащихся. Обоснована эффективность деятельности студентов педагогического вуза по проектированию содержания учебных занятий при изучении упругих волн. Показана возможность и целесообразность использования ультразвука низкой частоты при изучении явлений физики упругих волн в средней общеобразовательной и высшей педагогической школе.

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

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Вараксина, Е. И. Деятельность студентов по конструированию учебных занятий элективного курса [Текст] / Б.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. 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%)

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

4. Вараксина, Е. И. Лабораторные эксперименты по интерференции изгибных волн [Текст] / Е. И.Вараксина, И. С. Медведцев // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 21. — М. : ИСМО РАО, 2005. — С. 60-63. (0,25 печ. л., авторских — 50%)

5. 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%)

6. Вараксина, 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. (0,04 печ. л., авторских — 50%)

7. 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%)

8. 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%)

9. 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%)

10. Майер, В. В. 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%)

11. Майер, В. В. Взаимодействие учебной теории и учебного эксперимента в цикле научного познания [Текст] / В. В. Майер, Е. И. Вараксина // Учебная физика. — 2004. — №4. — С. 52-60. (0,56 печ. л., авторских — 50%)

12. Майер, В.В. Визуализация поверхностей равных фаз изгибных волн [Текст] / В. В. Майер, Б. И. Вараксина // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 20. — М. : ИСМО РАО, 2004. — С. 33-35. (0,15 печ. л., авторских — 50%)

13. Майер, В. В. 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%)

14. Майер, В. В. 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%)

15. Майер, В. В. Исследуем ультразвук низкой частоты (программа элективного курса) [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Учебная физика. — 2004. — №2. — С. 58-64. (0,42 печ. л., авторских — 50%)

16. Майер В. В. Использование опорного сигнала для экспериментального изучения упругой волны [Текст] / В.В.Майер, Е.И.Вараксина // Проблемы учебного физического эксперимента: сборник науч. трудов. Вып. 22. — М. : ИСМО РАО,

2005. — С. 74-77. (0,22 печ. л., авторских — 50%)

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

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

19. Майер, В. В. Учебные демонстрации прямого магнитострикционного эффекта [Текст] / 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%)

Изд. лиц. ИД №06035 от 12.10.2001. Подписано в печать 10.08.2006. Размножено на ризографе. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100. Заказ № 1474-2006.

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, 2006 год

Введение

Глава 1. ДИДАКТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ УЧЕБНОГО

ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С УПРУГИМИ ВОЛНАМИ

1.1. Фактическое содержание изучения упругих волн в школе и вузе.

1.1.1. Анализ школьных программ, учебников, практикумов. 1.1.2. Анализ вузовских учебников и практикумов. 1.1.3. Учебный эксперимент по упругим волнам.

1.2. Процесс изучения упругих волн и проблема подготовки учителя физики.

1.2.1. Проблема экспериментальной подготовки учителя физики. 1.2.2. Содержание экспериментальной подготовки учащихся. 1.2.3. Подготовка будущих учителей к проектированию содержания занятия.

1.3. Дидактическая теория учебного эксперимента с упругими волнами

1.3.1. Общая структура теории учебного физического эксперимента. 1.3.2. Теоретические основы учебного эксперимента с упругими волнами. 1.3.3. Проблемы совершенствования учебного эксперимента с упругими волнами.

Глава 2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА УЧЕБНОЙ

ФИЗИКИ "УПРУГИЕ ВОЛНЫ"

2.1. Повышение доступности приборов для получения упругих волн.

2.1.1. Совершенствование конструкции магнитострикционного излучателя низкой частоты. 2.1.2. Доступные конструкция и технология изготовления генератора. 2.1.3. Простейшие магнитострикционные излучатели более высокой частоты. 2.1.4. Получение ультразвука средней частоты.

2.2. Совершенствование эксперимента с упругими волнами и создание новых элементов учебной физики

2.2.1. Явление магнитострикции. 2.2.2. Амплитуда колебаний вибратора. 2.2.3. Интерференция изгибных волн. 2.2.4. Фокусировка изгибной волны. 2.2.5. Изгибная волна при изучении некоторых волновых явлений. 2.2.6. Совершенствование учебного эксперимента по исследованию стоячей волны. 2.2.7. Нелинейные эффекты. 2.2.8. Ультразвуковой фонтан. 2.2.9. Практическое применение ультразвука.

2.3. Организация научного и учебного познания при изучении упругих волн.

2.3.1. Исследование явления визуализации линий равных фаз. 2.3.2. Экспериментальное исследование упругой волны в воздухе. 2.3.3. Ультразвуковой капиллярный эффект.

3.1.1. Изготовление студентами приборов для получения упругой волны.

3.1.2. Самостоятельное выполнение студентами учебного эксперимента с ультразвуком. 3.1.3. Выполнение эксперимента с упругими волнами в учебно-исследовательской работе.

3.2. Методика подготовки будущих учителей физики к проектированию содержания учебного занятия

3.2.1. Программа элективного курса. 3.2.2. Проектирование студентами занятий элективного курса. 3.2.3. Составление студентами методики использования эксперимента с ультразвуком низкой частоты в школе.

3.3. Использование ультразвука низкой частоты при изучении физики упругих волн.

3.3.1. Изучение упругих волн в курсе экспериментальной физики. 3.3.2. Использование эксперимента с ультразвуком при изучении механических волн в школе.

Введение диссертации по педагогике, на тему "Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты"

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 [115], Я.Е.Амстиславского [4], Л.И.Анциферова [7], М.Н.Башкатова [14], Э.В.Бурсиана [23], П.П.Головина [45], М.И.Гринбаума [52], Г.И.Жерехова [63], Б.С.Зворыкина [67], О. Ф. Кабардина [ 72 ], В. Ф. Колупаева [ 83 ], В. В. Майера [96], Р. В. Май-ера [114], Н.Я.Молоткова [124], Г.Г.Никофорова [183], Ю.Ф.Ого-родникова [133], Б.Ш.Перкальскиса [138], Р.В.Поля [141], А.Порти-са [ 143], М. М. Терентьева [ 178], С. А. Хорошавина [201,202], Н. М. Ша-хмаева [209], Н.И.Шефера [73], В.Ф.Шилова [210] и многих других исследователей.

Учебный физический эксперимент является основным средством решения важнейших дидактических проблем. Он в полной мере использовался в исследованиях Б. Т. Войцеховского [38], В.С.Данюшен-кова [56], И.Я.Ланиной [92], В.Г.Разумовского [154], А.В.Усовой

182], Т.Н.Шамало [206, 207], 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 [137]. Методология учебного физического эксперимента исследована в работах Ю. А. Саурова [ 163]. Проблемам отбора содержания обучения, его проектирования и вариативного построения в средней школе, тесно связанным с совершенствованием учебного физического эксперимента, посвящены работы П. В. Зуева [ 68 ], А. А. Шаповалова [ 208 ], С. В. Бубликова [21].

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 опытов. В частности, наблюдения показывают, что эксперимент недостаточно используется на уроках физики, посвященных изучению упругих волн. Исследования проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами проведены Е. С. Агафоновой [ 1 ], Н.Л.Бронниковым [18, 19], А.Р.Геннингом [41, 42], В.Ф.Колупае-вым [83], В. И.Краснюком [86], Б.Б.Кудрявцевым [88], В. В.Майе-ром [98, 99, 110-113], Р. В. Майером [114], Н. М. Маркосовой [120], А.С.Мельниковым [121], В.Ф.Ноздревым [130, 131], A.C.Смагиным [166], В. И. Соломкиным [168-170], Н. М. Шахмаевым [209, 211]. Однако не существует методики, обеспечивающей систематическое использование на уроках физики доказательного и эффектного учебного эксперимента, раскрывающего сущность явлений, связанных с упругими волнами. Дидактическая теория учебного эксперимента с упругими волнами, объясняющая факт недостаточного его применения при обучении и позволяющая вывести в качестве следствий дидактические проекты совершенствования учебного эксперимента, не разработана.

Это обосновывает актуальность проблемы исследования теории и методики учебного физического эксперимента с упругими волнами.

Проблема исследования заключается в преодолении следующих противоречий:

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

Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.

Научная новизна исследования заключается в том, что:

2) обоснованы возможность и целесообразность использования при изучении упругих волн учебных экспериментов с ультразвуком низкой частоты; разработаны учебные теории явления визуализации волн на тонком упругом листе и ультразвукового капиллярного эффекта; 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;

3) разработаны новые учебные эксперименты по изучению прямого магнитострикционного эффекта, по исследованию явления интерференции изгибных 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; предложен простой способ оценки амплитуды колебаний вибратора магнитострикционного излучателя и простой вывод формул для радиационного давления упругой волны.

Теоретическая значимость определяется тем, что в сфере дидактики физики

1) предложена новая дидактическая теория учебного физического эксперимента;

Практическая значимость состоит в следующем:

Методологическую основу исследования составляют концепция учебной физики (В.В.Майер [96]), концепция формирования физических понятий (А.В.Усова [182], Т.Н.Шамало [206, 207]), концепция научного и учебного познания в обучении физике (В. В. Майер, В.Г.Разумовский [153]), идеи организации деятельности при обучении физике (Ю. А. Сауров [ 164]), системный подход в обучении физике (В. С. Данюшенков [57]).

Достоверность и обоснованность результатов исследования определяется опорой на фундаментальные положения дидактики физики; научным анализом проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами; экспериментальным доказательством возможности применения ультразвука низкой частоты для изучения 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 физическом факультете ГОУ ВПО "Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко", Вятского государственного гуманитарного университета и Уральского государственного педагогического университета, 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 (2003-2006 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.), научно-практических всероссийских конференциях "Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения" в Глазове (2004, 2005, 2006 гг.). Основные результаты исследования представлены в 19 публикациях автора.

Положения, выносимые на защиту.

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 студентами. Разработана учебная теория ультразвукового капиллярного эффекта. Изготовлены 19 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.

Второй этап (2004-2005 гг.) связан с изучением существующих элементов учебной физики, анализом научной и учебно-методической литературы, совершенствованием 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.

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

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненное исследование позволило решить важную дидактическую проблему повышения доступности и безопасности учебного оборудования для получения ультразвука низкой частоты: впервые учитель и учащиеся получили возможность изготовления без значительных временных, материальных и интеллектуальных затрат простого и безопасного ультразвукового генератора с питанием от гальванических батарей и магнитострикционного излучателя с ферритовым вибратором, обеспечивающих постановку десятков опытов с упругими волнами в школьном физическом кабинете или в домашних условиях.

2. В результате дидактического исследования разработаны простые варианты демонстрации и количественного исследования прямого магнитострикционного эффекта, предложен способ оценки амплитуды колебаний вибратора магнитострикционного излучателя, созданы новые опыты по изучению интерференции при отражении изгибной волны от края пластинки, по фокусировке изгибной волны, преломлению, рассеянию, дифракции и волноводному распространению упругих волн, усовершенствован учебный эксперимент по изучению стоячей волны в воздухе и в жидкости, предложены новые варианты демонстрационных опытов по наблюдению нелинейных эффектов, ультразвукового фонтана, практическому применению ультразвука. Разработанные элементы учебной физики целесообразно использовать на уроках при изучении упругих волн наряду с акустическим экспериментом, а также во внеурочной работе.

3. Разработка новых учебных экспериментов, теорий и методик позволила создать полные элементы учебной физики по изучению явления визуализации линий равных фаз в тонкой упругой пластинке, экспериментальному исследованию упругой волны в воздухе, изучению ультразвукового капиллярного эффекта. Перечисленные элементы учебной физики могут быть использованы для организации учебного и научного познания учащихся средней школы и студентов педагогических вузов. При этом будут развиваться их представления о теоретическом и экспериментальном циклах познания.

ГЛАВА 3

МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЧЕБНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С УЛЬТРАЗВУКОМ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Целью проведенного нами педагогического эксперимента явилось подтверждение следующих следствий представленной в главе 1 теоретической модели учебного физического эксперимента с упругими волнами:

• использование в учебном процессе разработанных элементов учебной физики с ультразвуком низкой частоты способствует формированию экспериментальной подготовленности учащихся при изучении упругих волн;

• приборы для эксперимента с ультразвуком низкой частоты доступны для изготовления учителю и учащимся;

• возможна организация полноценного лабораторного практикума, предусматривающего самостоятельное выполнения студентами учебного эксперимента;

• учебный эксперимент с ультразвуком низкой частоты может быть эффективно использован в научно-исследовательской деятельности учащихся, при выполнении курсовых и дипломных работ;

• возможно построение элективного курса по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты, проектирование студентами педвуза занятий этого элективного курса и уроков по изучению волн и акустики в школе;

• целесообразна организация целостного процесса обучения физике упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты в курсе экспериментальной физики в педагогическом вузе и в школьном курсе физики.

Педагогический эксперимент был проведен в рамках курса экспериментальной физики: в 2003 году (17 человек), в 2004 году (36 человек), в 2005 году (36 человек); в ходе мастер-классов в Вятском государственном гуманитарном университете (8 человек), в Уральском государственном педагогическом университете (4 человека); в процессе выполнения студентами Глазовского государственного педагогического института курсовых и дипломных исследований по физике, дидактике физике и информатике (19 человек; 29 курсовых и дипломных работ). В опосредованном педагогическом эксперименте приняли участие 106 школьников, в непосредственном — 44 школьника. Экспертная оценка методики экспериментального изучения упругой волны произведена 36 выпускниками физического факультета Глазовского пединститута. Таким образом, всего педагогическим экспериментом охвачены 306 человек. Результаты частично представлены в публикациях автора [ 25, 26, 29, 33, 105, 108].

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ УПРУГИХ ВОЛН

Из описанной в § 1.3 теоретической модели следует, что если усовершенствовать элемент учебной физики "Упругие волны", то при его изучении формируется экспериментальная подготовленность студентов: осознается роль эксперимента в научном познании, развивается интерес к эксперименту и совершенствуются экспериментальные умения. Это следствие было проверено при изготовлении студентами оборудования для получения упругих волн, в курсе экспериментальной физики при изучении упругих волн, при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.

3.1.1. Изготовление студентами приборов для получения упругой волны. Нами было сделано предположение, что если при изготовлении ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя отказаться от некоторых общепринятых требований к конструкциям физических приборов для учебного эксперимента, то доступность учебного оборудования возрастет, так как временные, ч материальные, интеллектуальные затраты по изготовлению приборов уменьшатся, любой студент, даже не имея специальных умений, сможет собрать эти приборы.

Для проверки этой гипотезы был проведен педагогический эксперимент. В нем приняли участие студенты четвертого курса физического факультета в рамках экзамена по экспериментальной физике, который проходил в течение трех дней с 26 по 29 декабря 2003 года. Лекционный курс из 28 часов охватывал общие вопросы о научном познании и конкретные разделы учебной физики: механические явления, быстропротекающие процессы, нелинейные колебания, явления ультраакустики, ультразвуковые импульсы, явления электродинамики, электромагнитные волны, градиентная оптика, физические основы голографии. На лабораторных занятиях (28 часов) студенты выполняли учебный эксперимент по одному из разделов (10 опытов) и разрабатывали методику его использования в учебном процессе.

Экзамен включал экспериментальный и теоретический компоненты и проводился следующим образом. За три дня до экзамена студенты посредством закрытого выбора билета разделились на две группы, одна из которых сдавала экзамен по упругим волнами, а вторая — по электромагнитным волнам. В дальнейшем речь пойдет о первой группе и экспериментальном компоненте экзамена. Во время подготовки к экзамену студентам было выдано необходимое оборудование, подробная инструкция, куда входят технология изготовления магнито-стрикционного излучателя, принципиальная и монтажная схемы генератора, описание алгоритма изготовления приборов, рекомендации по пайке, контрольные вопросы (см. табл.3, с. 154-155).

Результаты выполнения студентами заданий по изготовлению излучателя и генератора представлены в табл. 4. По наблюдениям за действиями студентов в процессе подготовки к экзамену установлено, что около трети студентов (7 человек) не умели паять. Время, затраченное большинством студентов на изготовление излучателя и генератора, составило от 5 до 7 часов. Основной причиной неисправности генераторов была неаккуратность, допущенная при их изготовлении:

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 C.B., Родина H.A. 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.— JL: Судостроение, 1986.— 168 с.

5. Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах.— М.: Физматгиз, 1960.— 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 / A.B.Пе-рышкин, 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 и 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. Возможность осуществления деятельности по проектированию учебного занятия элективного курса была проверена в рамках второго проведенного нами экзамена по курсу экспериментальной физики. Курс включал лекции (28 часов) и лабораторные занятия (28 часов).