Формирование естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Петрушкина Татьяна Александровна

• Петрушкина Татьяна Александровна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Петрушкина Татьяна Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ У БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ В ПРОЦЕССЕ НАУЧНО - ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ВУЗЕ

1.1 Сущность и содержание естественно-научной компетентности будущего учителя физики

1.2 Потенциал научно-исследовательской деятельности для формирования естественно-научной компетентности будущего учителя

физики

1.3. Теоретическое обоснование модели и педагогических условий формирования естественно-научной компетентности у будущего учителя

физики в процессе научно-исследовательской деятельности

Выводы по главе

ГЛАВА II. ОПЫТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РАБОТА ПО ФОРМИРОВАНИЮ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ У БУДУЩИХ УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ В ПРОЦЕССЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ В ВУЗЕ

2.1. Организация экспериментальной работы по формированию естественнонаучной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности

2.2. Содержание опытно-экспериментальной работы по формированию естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности

2.3. Анализ результатов экспериментальной работы

Выводы по главе II

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Тестирование на определение уровня сформированности естественно-научных знаний у обучающихся первого

курса

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Тест на выявление знаний в области научно-

исследовательской и проектной деятельности

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Задачи с нестандартным содержанием

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Рабочая программа научно-исследовательского

кружка «Магия науки»

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Кейс-стади, направленные на оценку уровня сформированности деятельно-практического компонента естественнонаучной компетентности у студентов первого курса

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Экспертная оценка научно-исследовательской

деятельности студентов

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Определение динамики уровня сформированности компонентов естественно-научной компетентности с помощью различных показателей динамических рядов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Развитие общества и экономики в настоящее время определяется уровнем развития естественных наук, являющихся базовыми в изучении природных законов и закономерностей и обеспечивающих решение глобальных проблем, с которыми сталкивается человечество. Прогресс естествознания возможен только при условии хорошо поставленного естественно -научного образования, направленного на формирование у подрастающего поколения научной картины мира. Вместе с тем исследования, проведенные отечественными учеными (Г.С. Ковалева [97], А.Ю. Пентин [154], В.Г. Разумовский [166], М.А. Якунчев [231], [152] и др.), показали, что в обеспечении качества естественно-научного образования в последние годы наблюдаются такие недостатки, как увеличение доли выпускников образовательных организаций, не овладевших на достаточном уровне компетенциями в области естественных наук, снижение интереса обучающихся к научным исследованиям естественно-научной направленности.

В связи с вышеперечисленными проблемами в таких документах, как национальный проект «Образование» [147], Концепция подготовки педагогических кадров для системы образования на период до 2030 года [103] и др. определяются требования к качеству профессиональной подготовки выпускников естественно-научных профилей педагогических вузов. Особое внимание уделяется подготовке учителей физики как дисциплины, направленной на формирование у обучающихся естественно-научной картины мира. Одной из важнейших характеристик современного учителя физики общеобразовательной школы в сегодняшних условиях становится сформированная естественно-научная компетентность.

Естественно-научная подготовка будущих учителей физики осуществляется в процессе изучения ряда дисциплин учебных планов (Основы физики, Общая и экспериментальная физика, Основы теоретической физики и т.д.), дисциплин по выбору обучающихся (Термоакустика, Нанотехнологии, Астрофизика, Методы

математической физики, Решение задач школьного курса и т.д.). Вместе с тем, основные профессиональные образовательные программы профилей подготовки «Физика и информатика», «Математика и физика», не предусматривают расширение знаний студентов в других естественно-научных дисциплинах, таких как химия, биология, естественно-научная картина мира. Результаты проведенных учеными исследований (Н.А. Белоусова [23], Г.В. Луценко [119]) свидетельствуют о том, что естественно-научная компетентность у будущих учителей физики, в таких ее составляющих, как умения и навыки применения естественно-научных знаний для решения практических задач, оказывается сформированной недостаточно.

Необходимо обеспечение практической ориентированности естественнонаучной подготовки будущих учителей физики, что, по нашему мнению, возможно с использованием педагогического потенциала научно -исследовательской деятельности. Наряду с образовательной, она является обязательной и важнейшей составляющей деятельности высшего учебного заведения, входит в содержание профессиональной подготовки будущих учителей. Согласно ФГОС ВО, предназначением научно-исследовательской деятельности является сопровождение учебной деятельности студентов, активизация их к самостоятельности в образовательном процессе, расширение и закрепление имеющихся и приобретаемых естественно-научных знаний, овладение студентами умений и навыков применения этих знаний, что свидетельствует о возможности использования научно-исследовательской деятельности для решения проблемы формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики.

Степень научной разработанности проблемы исследования.

Понятия «компетенция» и «компетентность» прочно вошли в научный обиход. Сущность этих педагогических категорий была изучена М. Армстронг [9], Т.Ю. Базаровым [14], Л.М. Баш [20], А.А. Вербицким [36], С.В. Воробьевым [40], Н.Л. Гончаровой [49], В.О. Зинченко [78], Е.В. Мироновой [128], Г.Х. Нигматзяновой [140], Дж. Равеном [165], А.В. Сергеевым [178],

В.В. Сериковым [180], Ю.Г. Татур [196], А.И. Турчиновым [205],

A.В. Хуторским [219], М.А. Чошановым [221], T. Hoffman [235], C. Velde [241]. Ученые пришли к выводу о необходимости разведения изучаемых понятий и рассмотрения понятия «компетентность» как более широкого по отношению к понятию «компетенция».

Значительное внимание учеными в рамках компетентностного подхода было уделено исследованию особенностей и сущностных характеристик компетенций и компетентностей в различных видах деятельности.

Изучение сущностных характеристик профессиональной компетентности педагога составляло предмет исследований Н.А. Волгина [39], Т.М. Давыденко [54], Т.В. Добудько [64], Г.Н. Жукова [73], В. Д. Симоненко [181],

B.А. Сластёнина [186], Е.П. Турбина [203], Г. Турдубаевой [204], Е.Г. Хрисанова [218]. Феномен профессиональной компетентности будущего учителя физики изучали И.М. Агибова [3], Б.М. Алиева [4], М. Анарбекова [6], Н.С. Аттаманчук [12], В.И. Коломин [100], Л.А. Краснова [106], З.А. Скрипко [185].

Требования к организации естественно-научного образования и его содержание было раскрыто в научных трудах А.Ф. Ан [5], Е.С. Березиной [26], М.Н. Бородина [31], А.П. Бугаевой [33], А.Г. Бусыгина [35], В.С. Елагина [67], У.З. Ешимова [71], Г.С. Ковалевой [97], С.В.Левиной [113], М.Т. Рахматуллина [167], С.Е. Старостиной [191], А.В. Усовой [210], С.В. Шаминой [224].

Сущность естественно-научной компетентности явилась предметом изучения в научно-исследовательских работах Н.Б. Бекоевой [21], Н.А. Белоусовой [23], Е.Н. Иванченковой [85], Л.Е. Изотовой [87], А.Р. Камалеевой [91], С.В. Латынцева [110], Г.В. Луценко [119], О.М. Россомахиной [169], П.В. Хоменко [217]. Учеными были сформулированы и обоснованы авторские трактовки естественно-научной компетентности, выявлены и проанализированы ее свойства и особенности, научно доказаны условия, реализация которых способствует результативности формирования данной компетентности у обучающихся вузов, применительно к различным направлениям подготовки.

Российскими учеными М.Н. Бородиным [136], Е.А. Галкиной [43], М.Ю. Демидовой [61], А.А. Елизаровым [68], Т.Н. Карановой [95], Н.В. Кирюхина [98], С.Ю. Мусихиной [134], А.Ю. Пентиным [154], В.Г. Разумовским [166], Д.А. Романовым [168], С.Е. Старостиной [190],

B.Г. Сутокским [194], Т.Л. Шапошниковой [63], В.Л. Шапошниковым [37], М.А. Якунчевым [231], также осуществлены исследования феномена естественно-научной грамотности, ее структуры и условий формирования у обучающихся (школьников и студентов).

В ряде диссертационных работ (И.А. Голубева [48], О.Н. Лукашевич [118],

C.В. Маликов [120], А.С. Митрохина [129], Б.В. Першуткин [155], Т.В. Самодурова [172], С.М. Тутарищева [206]) изучен феномен научно-исследовательской деятельности, ее педагогические возможности как средства формирования различных компетентностей у студентов различных профилей подготовки.

Менее разработанными остаются методологические основы и технологические аспекты решения проблемы формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики с использованием педагогического потенциала научно-исследовательской деятельности.

Таким образом, в педагогической теории и практике педагогического образования имеется ряд противоречий между:

- социальным заказом системе образования на формирование у обучающихся естественно-научного мышления, системных естественно-научных знаний, умений их применения и уровнем естественно-научной компетентности учителей физики, недостаточным для выполнения этого заказа;

- стоящим перед педагогическими вузами требованием совершенствования естественно-научной подготовки будущих учителей физики и недостаточной эффективностью применяемых в этих целях педагогических средств;

- значительными педагогическими возможностями научно-исследовательской деятельности в вузе и отсутствием научно-обоснованной

модели и педагогических условий их применения в формировании естественнонаучной компетентности у будущих учителей физики.

Выявленные противоречия обусловили следующую формулировку проблемы исследования: каковы модель и педагогические условия формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе?

Тема исследования: «Формирование естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе».

Цель исследования: спроектировать, теоретически обосновать модель и выявить педагогические условия формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе.

Объект исследования: процесс профессиональной подготовки будущих учителей физики в педагогическом вузе.

Предмет исследования: формирование естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе.

Гипотеза исследования: формирование естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно -исследовательской деятельности будет эффективным, если:

- разработана модель исследуемого процесса с учетом сущностных характеристик естественно-научной компетентности будущего учителя физики и педагогического потенциала научно-исследовательской деятельности;

- созданы педагогические условия:

а) пропедевтическая подготовка студентов-первокурсников, направленная на расширение их естественно-научных знаний в научно-исследовательском кружке;

б) разработка и внедрение пакета научно-методического обеспечения научно-исследовательской деятельности в процессе обучения будущих учителей физики;

в) разработка и применение комплекса диагностических методик, позволяющих оценить и скорректировать уровень сформированности естественно-научной компетентности студентов.

Задачи исследования:

• определить сущность, структуру и содержание естественно-научной компетентности будущих учителей физики;

• раскрыть педагогический потенциал научно-исследовательской деятельности как фактора формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики;

• спроектировать модель формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно -исследовательской деятельности;

• выявить и экспериментально апробировать педагогические условия формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности.

Методологической основой исследования послужили:

- философские концепции образования (Г.М. Андреева [7], Е.П. Белозерцев [22], В.В. Краевский [105]);

- концепция системного подхода в изучении педагогических процессов (В.В. Гребнева [51], В.А. Игнатова [86], А.Р. Камалеева [92], Ю.Н. Лапыгин [109], И.Ф. Скляров [184]);

- концепция деятельностного подхода, определяющего активность как фактор формирования и становления личности (Г.С. Батищев [19], И.А. Зимняя [77], А.Н. Леонтьев [114], С.Л. Рубинштейн [170], В.Д. Шадриков [222]);

- концепция компетентностного подхода, ориентирующего образовательный процесс на развитие у обучающихся способности к эффективному решению задач в различных видах деятельности (В.А. Болотов

[28], Э.Ф. Зеер [74], Дж. Равен [165], Т.А. Симонова [182], С.Л. Троянская [201], А.В. Хуторской [219]).

Теоретическую основу исследования составляют исследования, посвященные:

- разработкам содержания естественно-научного образования (М.М. Балашов [18], А.Р. Камалеева [91], А.В. Усова [210], М.А. Якунчев [231]);

- изучению механизмов реализации компетентностного подхода в профессиональной подготовке обучающихся вузов (Р.Ш. Ахмадиева [13], И.И. Галимзянова [44], Р.Х. Гильмеева [46], З.М. Явгильдина [228]);

- подготовке профессионально компетентных учителей физики (О.Е. Данилов [56], О.М. Дружинина [66], И.И. Коломин [100], О.В. Лебедева [112], Ю.В. Масленникова [122], В.Н. Томашов [200]);

- раскрытию сущности научно-исследовательской деятельности обучающихся и путей реализации ее потенциала в образовательном процессе (В.В. Балашов [17], С.Л. Белых [24], С.М. Бондаренко [29], Т.С. Бородина [32], А.Г. Бурда [34], Е.В. Воеводина [38], Е.В. Вострокнутов [41], И.А. Голубева [48], А.В. Фахрутдинова [162], Т.Я. Яркова [233]).

В процессе исследования применялся комплекс методов исследования:

- структурно-содержательный анализ понятий «естественно-научная грамотность», «естественно-научная компетентность»;

- изучение педагогического опыта естественно-научной подготовки будущих учителей физики в педагогических вузах;

- анализ федеральных государственных образовательных стандартов по направлениям подготовки 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки) профилей «Физика и информатика», «Математика и информатика», «Биология и география», «Биология и химия»; 44.04.01 Педагогическое образование («Естественнонаучное образование»), профессионального стандарта "Педагог (педагогическая деятельность в сфере дошкольного, начального общего, основного общего, среднего общего образования) (воспитатель, учитель)";

- изучение учебных планов, образовательных программ по указанным профилям подготовки;

- синтез полученной информации, ее систематизация, интерпретация полученных данных, обобщение;

- диагностические методы: анкетирование студентов, преподавателей вузов и учителей общеобразовательных школ; беседа со студентами и преподавателями вузов, тестирование студентов (с использованием методики М. Рокича «Ценностные ориентации», методики К. Замфира в модификации А. Реана «Мотивация профессиональной деятельности, авторского теста для оценки уровня естественно-научных знаний студентов, заданий для оценки сформированности умений применения естественно-научных знаний для решения практических задач); метод экспертной оценки;

- педагогический эксперимент;

- методы графического представления результатов исследования: построение схем и гистограмм;

- методы обработки полученных данных: критерий х2 - Пирсона.

База исследования. Участниками констатирующего эксперимента стали преподаватели факультета физико-математического образования, информатики и технологий (23 человека), факультета естествознания, физической культуры и спорта (8), психолого-педагогического факультета (11 человек) ФГБОУ ВО «Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева; преподаватели физических дисциплин ЧГУ им. И.Н. Ульянова (10 человек); преподаватели физических дисциплин Чебоксарского института (филиал) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Московский политехнический университет» (6 человек); преподаватели физических дисциплин ФГБОУ ВО «Чувашский государственный аграрный университет» (2 человека); представители администраций общеобразовательных школ и школьные учителя физики Чувашской Республики (30 человек); преподаватели физических дисциплин техникумов и колледжей Чувашской Республики (9 человек); студенты различных

курсов по направлению подготовки 44.03.05 профилей подготовки «Физика и информатика», «Математика и информатика» (124 человека).

Формирующий эксперимент был проведен на базе ФГБОУ ВО «Чувашский государственный педагогический университет имени И.Я. Яковлева». В нем приняли участие 50 студентов направления подготовки 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки), профилей «Физика и информатика».

Этапы исследования.

На I этапе (2019-2020 гг.) определялись степень разработанности проблемы, изучалась практика решения проблемы путем анализа рабочих программ учебных дисциплин, составляющих основные образовательные программы по исследуемому направлению и профилям подготовки бакалавров; осуществлялось изучение состояния проблемы в практике деятельности педагогических вузов и имеющихся в ней недостатков; выдвигались предположения о возможных путях решения исследуемой проблемы; определялись сущность, структура и содержание естественно-научной компетентности будущих учителей физики; создавался критериально-оценочный инструментарий для проведения эксперимента.

II этап (2020-2023 гг.) заключался в том, что был раскрыт педагогический потенциал научно-исследовательской деятельности как фактора формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики; спроектирована модель и выявлены педагогические условия формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности; экспериментально апробированы педагогические условия формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности.

III этап (2023-2024 гг.) был посвящен обобщению результатов эксперимента, формулировке выводов, оформлению текста диссертации.

Научная новизна исследования.

1. Конкретизировано понятие «естественно-научная компетентность будущего учителя физики», понимаемое как профессионально-значимая характеристика, включающая осознание значимости естественных наук и ценности естественно-научной компетентности в профессиональной деятельности, естественно-научные знания, умения и навыки их применения в решении практических задач, опыт научно-исследовательской деятельности естественно-научной направленности.

2. Раскрыты структурные компоненты естественно-научной компетентности будущих учителей физики (ценностно-мотивационный, когнитивный, деятельностно-практический), что расширяет представления об этом явлении как профессионально значимой характеристике будущего педагога.

3. Спроектирована и научно обоснована структурно-содержательная модель формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе, которая включает ряд взаимосвязанных блоков: целеориентационный (цель -сформировать естественно-научную компетентность у будущих учителей физики, задачи для ее достижения), методологический (системный, деятельностный, компетентностный подходы и принципы, в соответствии с которыми организуется исследуемый процесс: системности, целостности и междисциплинарности; активности, обратной связи; профессиональной направленности, персонификации); содержательный (содержание научно-исследовательской деятельности, организуемой в соответствии с тематическими разделами физики); технологический (этапы формирования естественно-научной компетентности будущих учителей физики, формы, методы и средства решения поставленных задач); критериально-оценочный (ценностно-мотивационный, когнитивный, деятельностно-практический критерии, необходимые для оценки сформированности естественно-научной компетентности); результативный (уровни сформированности естественно-научной компетентности у будущих учителей физики).

4. Выявлены и теоретически обоснованы педагогические условия формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физике в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе (пропедевтическая подготовка студентов-первокурсников, направленная на расширение их естественно-научных знаний в научно-исследовательском кружке; разработка и внедрение пакета научно-методического обеспечения научно-исследовательской деятельности в процессе обучения будущих учителей физики; разработка и применение комплекса диагностических методик, позволяющих оценить и скорректировать уровень сформированности естественно-научной компетентности студентов).

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что:

- доказаны положения, расширяющие и уточняющие теоретические представления о необходимости целенаправленного формирования естественнонаучной компетентности у будущих учителей физики, что составляет вклад в методологию и технологию профессионального образования;

- обоснованы ценностно-мотивационный, когнитивный и деятельностно-практический критерии оценки степени сформированности у будущих учителей физики естественно-научной компетентности, соответствующие ее структурным компонентам и раскрывающиеся в показателях высокого, достаточного и низкого уровней;

- раскрыт педагогический потенциал научно-исследовательской деятельности как фактора формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики, состоящий в том, что выполнение студентами учебно-исследовательской и внеучебной научно-исследовательской деятельности в различных формах способствует усилению мотивации студентов к овладению естественно-научной компетентностью, формированию и расширению их представлений о естественно-научной картине мира, формированию у них умений и навыков организации и осуществления научно-исследовательской деятельности;

- разработан механизм реализации потенциала научно-исследовательской деятельности как фактора формирования естественно-научной компетентности у

будущих учителей физики на основе системной организации этой деятельности в соответствии с изучаемыми тематическими разделами физики;

- обоснована целесообразность обращения к системному, деятельностному, компетентностному подходам как теоретико-методологической основе решения проблемы формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе.

Результаты исследования дают возможность проведения дальнейших исследований и создания прикладных разработок в сфере подготовки педагогических кадров для естественно-научного образования.

Практическая значимость результатов исследования состоит в следующем:

- основные результаты исследования, включающие структурно-содержательную модель формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно-исследовательской деятельности в вузе, педагогические условия ее реализации, могут использоваться при разработке рабочих программ физических дисциплин, планировании и организации научно -исследовательской деятельности естественно-научной направленности в вузах, осуществляющих профессиональную подготовку учителей естественнонаучных дисциплин;

- определены перспективы использования результатов исследования в образовательной практике учреждений дополнительного профессионального образования, а также в практике внутривузовской системы повышения квалификации и переподготовки педагогов;

- выводы и основные научные положения диссертации, экспериментальный материал, а также авторские учебно-методические пособия «Программа STEM смены для детских оздоровительных лагерей», «Учебно-исследовательские работы по естественнонаучным дисциплинам», программа научно-исследовательского кружка «Магия науки», критериально-оценочный инструментарий) внедрены в учебно-воспитательный процесс образовательных организаций высшего образования;

- предложенный и апробированный диагностический инструментарий является эффективным средством проведения педагогического мониторинга уровня сформированности у будущих учителей физики естественно-научной компетентности и создания организационно-педагогического обеспечения профессиональной подготовки будущих учителей естественно-научных дисциплин.

Обеспечение обоснованности и достоверности результатов исследования достигается путем выбора в качестве методологической основы системного, деятельностного, компетентностного и технологического подходов, определивших позицию автора в поиске путей решения исследуемой проблемы, использованием исследовательских методов, соответствующих цели, объекту, предмету и задачам исследования; изучением разработанности проблемы в педагогической теории и практике; подтверждением значимости результатов эксперимента методами математической статистики, их получением на репрезентативных выборках испытуемых; результативным опытом работы автора в качестве преподавателя кафедры математики и физики педагогического вуза.

Положения, выносимые на защиту:

1. Естественно-научная компетентность будущего учителя физики представляет собой его профессионально-значимую характеристику, включающую осознание значимости естественных наук и ценности естественнонаучной компетентности в профессиональной деятельности, естественно-научные знания, умения и навыки их применения в решении практических задач, опыт научно-исследовательской деятельности естественно-научной направленности.

Структура естественно-научной компетентности включает взаимосвязанные ценностно-мотивационный, когнитивный и деятельностно-практический компоненты.

2. Структурно-содержательная модель формирования естественно-научной компетентности у будущих учителей физики в процессе научно -исследовательской деятельности в вузе содержит целеориентационный (цель, задачи), методологический (методологические подходы и принципы);

содержательный (виды научно-исследовательской деятельности, тематические разделы физики, по которым эта деятельность организуется); технологический (этапы формирования естественно-научной компетентности будущих учителей физики, формы, методы и средства решения поставленных задач); критериально-оценочный (ценностно-мотивационный, когнитивный, деятельностно-практический критерии); результативный (уровни сформированности естественно-научной компетентности) компоненты.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петрушкина Татьяна Александровна, 2024 год

- 240 с.

210. Усова А. В. Пути совершенствования естественнонаучного образования. Поиски и находки // МНКО. 2007. №3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/puti-sovershenstvovaniya-estestvennonauchnogo-obrazovaniya-poiski-i-nahodki (дата обращения: 21.03.2024).

211. Ушаков, Д. Н. Толковый словарь современного русского языка / Д. Н. Ушаков. - Москва : Аделант, 2014. - 800 с.

212. Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)» : Приказ Минобрнауки России от 22.02.2018, № 125 // ФГОС : офиц. сайт. - URL: https://fgos.ru/fgos/fgos-44-03-05-pedagogicheskoe-obrazovanie-s-dvumya-profilyami-podgotovki-125/ (дата обращения: 21.04.2021).

213. Фоминых, С. О Некоторые аспекты формирования профессиональной компетентности будущих учителей физики / С. О. Фоминых, Т. А. Петрушкина // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. - 2021. - № 2 (111). - С. 232-239.

214. Фролов, Ю. В. Компетентностная модель как основа оценки качества подготовки специалистов / Ю. В. Фролов // Высшее образование сегодня. - 2004.

- № 8. - С. 34-41.

215. Хайруллина, Э. Р. Системная ориентация проектно-творческой деятельности на саморазвитие конкурентоспособности студентов инженеров-

технологов : автореф. дис. на соиск. учен. степ. д-ра пед. наук : 13.00.08 / Хайруллина Эльмира Робертовна ; Казан. гос. ун-т им. В.И. Ульянова-Ленина. -Казань, 2007. - 43 с.

216. Харабаджах, М.Н. Технологический подход в образовании: сущность и перспективы // Проблемы современного педагогического образования. 2019. №65 - 1, - С. 279-281.

217. Хоменко, П. В. Разработка и внедрение компетентностной интеграционно-функциональной модели естественно-научной подготовки будущих специалистов физической культуры / П. В. Хоменко // Международный журнал экспериментального образования. - 2013. - № 10-1. - С. 51-57.

218. Хрисанова, Е. Г. Подготовка научных и научно-педагогических кадров: анализ проблем и путей их решения в вузе / Е. Г. Хрисанова // Современное высшее образование в условиях многополярного мира : электронный сборник статей по материалам Международной научно-практической конференции, Чебоксары, 14 декабря 2022 года. - Чебоксары: Чувашский государственный педагогический университет им. И.Я. Яковлева, 2022. - С. 549-555.

219. Хуторской, А. В. Ключевые компетенции как компонент личностно ориентированной парадигмы образования / А. В. Хуторской // Народное образование. - 2003. - № 2. - С. 59-68.

220. Хуторской, А. В. Модель компетентностного образования / А. В. Хуторской // Высшее образование сегодня. - 2017. - № 12. - С. 9-16. -URL: https://cyberleninka.ru/article/n7model-kompetentnostnogo-obrazovaniya (дата обращения: 19.01.2022).

221. Чошанов, М. A. Гибкая технология проблемно-модульного обучения : метод. пособие / М. А. Чошанова. - Москва : Нар. образование, 1996. - 157 с.

222. Шадриков, В. Д. Формирование базовых компетенций на основе деятельностного подхода (на примере педагогической деятельности) / В. Д. Шадриков // Мир психологии. - 2014. - № 3 (79). - С. 105-119.

223. Шайдуллина, А. Р. Реализация компетентностного подхода в подготовке специалистов технического профиля в условиях интеграции образования и производства / А. Р. Шайдуллина // Вестник Московского государственного университета культуры и искусств. - 2009. - № 7 (27). - С. 105— 110.

224. Шамина, С. В. Формирование естественнонаучного мышления студентов в рамках различных вариантов интеграции содержания физического образования / С. В. Шамина // Народное образование. - 2011. - № 1. - С. 53-58.

225. Шостка, В. И. Системный подход в контексте междисциплинарного характера современного научного знания / В. И. Шостка, В. В. Буряк, О. А. Габриелян // Вестник Института развития ноосферы. - 2018. - № 1. - С. 6-15.

226. Шумилова, Н. С. Научно-исследовательская деятельность как средство развития творческого потенциала будущих учителей технологии и предпринимательства : дис. на соиск. учен. степ. канд. пед. наук : 13.00.08 / Шумилова Наталья Станиславовна ; Брян. гос. пед. ун-т им. И.Г. Петровского. -Брянск, 2006. - 213 с.

227. Юдин, Э. Г. Методология науки. Системность. Деятельность / Э. Г. Юдин. - Москва : Эдиториал УРСС, 1997. - 444 с.

228. Явгильдина, З. М. Модель формирования методической компетентности будущего педагога-музыканта: практико-ориентированный подход / Е. А. Дыганова, З. М. Явгильдина // Мир науки. Педагогика и психология. - 2022. - Т. 10, № 1.

229. Ядровская, М. В. Модели в педагогике / М. В. Ядровская // Вестник Томского государственного университета. - 2013. - № 366. - С. 139-143.

230. Яковлев, Е. В. Модель как результат моделирования педагогического процесса / Е. В. Яковлев, Н. О. Яковлева // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2016. - № 9. - С. 136-140.

231. Якунчев, М. А. Структура и содержание диагностических заданий в контексте формирования функциональной грамотности обучающихся / М. А.

Якунчев, Н. Г. Семенова, И. Ф. Маркинов // Вестник Казанского государственного университета культуры и искусств. - 2022. - № 3. - С. 122-128.

232. Якунчев М.А. Состояние подготовки учителя в контексте представлений о биологической картине мира / М.А. Якунчев, Н.Г. Семенова, // «Актуальные проблемы естествознания и естественнонаучного образования», IV международная науч.-практ. заочная конф. «Актуальные проблемы естествознания и естественнонаучного образования»,15-20 февраля 2016 г.: [материалы]. - Омск: Изд-во ОмГПУ, 2016. - С. 149-153

233. Яркова, Т. Я. Научные основы организации научно-исследовательской деятельности студентов в педагогическом вузе / Т. Я. Яркова // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2013. - № 3. -С. 218-219.

234. Dave, R. H. Foundations of life-long education / R. H. Dave. - London : Groom Melm, 1970. - 398 с.

235. Hoffman, T. The meanings of competency / Т. Hoffman // Journal of European Industrial. - 1999. - Vol. 23, Iss. 6. - P. 275-285.

236. Hummel, C. Education today for the world of tomorrow / C. Hummel. -Paris : UNESCO, 1977. - 200 p. : ill.

237. Kim, K. H. Effects motivation, ACT/SAT, GPA, and SES on college choice for academically of advanced students and other students / K. H. Kim, M. F. Hull // World Journal of Educational Research (Online). - 2015. - Vol. 2, № 2. - URL: https://pdfs.semanticscholar.org/3df2/222 (дата обращения: 17.10.2019).

238. Legrand, P. Introduction to lifelong education / P. Legrand. - London : Groom Melm ; Paris : UNESCO Press, 1970. - 172 с.

239. Parsons, T. The Present Status of "Structural-Functional" Theory in Sociology / T. Parsons // Social Systems and the Evolution of Action Theory / T. Parsons. - New York : The Free Press. - 1977. - P. 101-118.

240. The influence of intrinsic and extrinsic motivation onindividuals' knowledge sharing behavior / S. Y. Hung, A. Durcikova, H. M. Lai, W. M. Lin

// International Journal of Human-Computer Studies. - 2011. - Vol. 69 (6). - P. 415— 427.

241. Velde, C. Crossing borders: an alternative conception of competence / C. Velde // Proceedings of the 27th Annual SCUTREA Conference (England, United Kingdom, July 1997). - London, 1997. - P. 27-35.

Тест на определение естественно-научных знаний у студентов первого курса, обучающихся по профилю «Физика и информатика»

Обучающийся, Вам необходимо отметить правильный ответ. 1. На рисунке представлен график зависимости пути £ велосипедиста от времени Определите интервал времени после начала отсчета времени, когда велосипедист двигался со скоростью

а) от 50 с до 70 с

б) от 30 с до 50 с

в) от 10 с до 30 с

г) от 0 до 10 с

2. На полу лифта, разгоняющегося вверх с постоянным ускорением а = 0,90 м/с2 лежит мешок наполненный песком массой 10 кг. Каков вес этого мешка с песком?

а) 100 Н

б)109 Н

в) 55 Н

г) 91 Н

3. Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной Ь= 60 м с постоянной по модулю скоростью. Работа силы тяги за один оборот по окружности 3 кДж. Чему равен модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли?

а) 50 Н

б)100 Н

в) 20 Н

г) 180 Н

4. Какую температуру имеет 1,5 г азота, занимающего объём 0,85 л при давлении в 3 атм.?

а) 10 0С

б) 12 0С

в)273 К

г) 280 К

, М / *

200 150 100 50 / /

/

/

0 10 30 50 70 г, с

5. Концентрацию молекул одноатомного идеального газа уменьшили в 5 раз. Одновременно в 2 раза увеличили среднюю энергию хаотичного движения молекул газа. Чему равно отношение конечного давления к начальному?

а) 0,4

б) 10

в) 2,5

г) 2

6. Температура медного образца массой 100 г повысилась с 20 °С до 60 °С. Какое количество теплоты получил образец? (Удельную теплоёмкость меди считать равной 380 Дж/кг.)

а) 2000 Дж

б) 150 Дж

в) 1520 Дж

г) 3040 Дж

7. В таблице приведена зависимость КПД идеальной тепловой машины от температуры ее нагревателя при неизменной температуре холодильника. Чему равна температура холодильника этой тепловой машины?

К Т 1 н, 400 500 600 800 1000

п 10 28 40 55 64

а) 720 К

б)1000 К

в) 300 К

г) 360 К

8. В результате эксперимента по изучению циклического процесса, проводившегося с некоторым постоянным количеством

одноатомного газа, который в условиях опыта можно было считать идеальным, получилась зависимость давления р от температуры Т,, показанная на графике. Выберите все утверждения, соответствующие результатам этого эксперимента.

1) В процессе 2-3 газ не совершал работу.

2) В процессе 1-2 газ совершал положительную работу.

3) В процессе 2-3 газ совершал положительную работу.

4) В процессе 3-1 газ совершал отрицательную работу.

5) Изменение внутренней энергии газа на участке 1-2 было равно модулю изменения внутренней энергии газа на участке 3-1.

9. Точечный положительный заряд величиной 2 мкКл помещён между двумя протяжёнными пластинами, равномерно заряженными разноимёнными зарядами. Модуль напряжённости электрического поля, создаваемого положительно заряженной пластиной, равен 103 кВ/м, а поля, создаваемого отрицательно заряженной пластиной, в 2 раза больше. Определите модуль электрической силы, которая будет действовать на указанный точечный заряд?

а) 6 Н

6) 12 Н

в) 3 Н

г) 2 Н

10. Модуль напряжённости электрического поля в плоском воздушном конденсаторе ёмкостью 50 мкФ равен 200 В/м. Расстояние между пластинами конденсатора 2 мм. Чему равен заряд этого конденсатора?

а) 0,01 мкКл

б) 2 мкКл

в) 20 мкКл

г) 10 мкКл

11. Определите, атомы каких двух из указанных в ряду элементов имеют на внешнем энергетическом уровне четыре электрона. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов.

1)

2) Мв

3) С

4) №

12. Из указанных в ряду химических элементов выберите три элемента, которые в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева находятся в одном периоде.

Расположите выбранные элементы в порядке возрастания их металлических свойств. Запишите в поле ответа номера выбранных элементов в нужной последовательности.

Для выполнения задания используйте следующий ряд химических элементов (ответом в задании является последовательность цифр, под которыми указаны химические элементы в данном ряду:

1) А1

2) Ыв

3) К

4) №

13. Из предложенного перечня выберите два вещества немолекулярного строения.

1) сахар

2) алмаз

3) метан

4) железо

5) вода

14. Железную проволоку массой 0,295 г растворили при нагревании в избытке разбавленной азотной кислоты. К полученному раствору добавили избыток раствора аммиака, выпавший осадок отфильтровали и прокалили до постоянной массы. Полученный порошок взвесили, его масса составила 0,400 г. Определите массовую долю железа в проволоке и объём оксида азота(П) (н. у.), выделившегося при растворении железа в азотной кислоте.

1) 80%; 1 л.

2) 56%; 0,23 л.

3) 94,9%; 0,112 л.

4) 74,9%; 0, 43 л.

15. Для чего предназначен газометр?

1) мерный сосуд конической формы, на наружной поверхности которых, как и у мерных цилиндров, нанесены деления, Предназначен для измерения жидкостей, реже — сыпучих веществ;

2) специализированный сосуд цилиндрической формы, имеющий полукруглое, коническое или плоское дно. Широко используется в химических лабораториях для проведения некоторых химических реакций в малых объемах, для отбора проб химических веществ;

3) лабораторный прибор для собирания и хранения газов, а также приблизительной оценки их объёмов;

4) стеклянная или пластиковая лабораторная посуда, предназначенная для лабораторных операций с различными жидкими веществами, например, реагентами, пробами или растворами.

16. Кто из ученых открыл явления непрерывного беспорядочного движения частиц, взвешенных в жидкости или газе?

1) Архимед

2) Э. Торричелли

3) Б. Паскаль

4) Р. Броун

17. Какое течение называют ламинарным?

1) течение, при котором жидкость или газ перемещаются слоями без перемешивания и пульсаций

2) течение, при котором в жидкости возникают многочисленные

завихрения

3) течение, при котором жидкость имеет турбулентный характер

4) течение, при котором скорости частиц жидкости в каждой точке беспорядочно меняются

18. Выберите два верных утверждения, которые соответствуют содержанию текста. Запишите в ответ их номера.

1) Для определения возраста образца горной породы, содержащей уран-238, достаточно определить количество урана-238.

2) Для определения возраста образца горной породы, содержащей уран-238, достаточно определить отношение количества урана-238 к количеству свинца-206.

3) Период полураспада — это параметр, определяющий возраст Земли.

4) Период полураспада — это интервал времени, в течение которого распадается половина от первоначального количества радиоактивного элемента.

Определение возраста Земли

Один из методов определения возраста Земли основан на радиоактивном распаде урана. Уран (атомная масса 238) распадается самопроизвольно с последовательным выделением восьми альфа-частиц, а конечным продуктом распада является свинец с атомной массой 206 и газ гелий. На рисунке представлена цепочка превращений урана-238 в свинец-206.

Каждая освободившаяся при распаде альфа-частица проходит определенное расстояние, которое зависит от ее энергии. Чем больше энергия альфа-частицы, тем большее расстояние она проходит. Поэтому вокруг урана, содержащегося в породе, образуется восемь концентрических колец. Такие кольца (плеохроические гало) были найдены во многих горных породах всех геологических эпох. Были сделаны точные измерения, показавшие, что для разных вкраплений урана кольца всегда отстоят на одинаковых расстояниях от находящегося в центре урана.

Когда первичная урановая руда затвердевала, в ней, вероятно, не было свинца. Весь свинец с атомной массой 206 был накоплен за время, прошедшее с момента образования этой горной породы. Раз так, то измерение количества свинца-206по отношению к количеству урана - 238 — вот всё, — что нужно знать, чтобы определить возраст образца, если период полураспада известен. Для урана-238 период полураспада составляет приблизительно 4,5 млрд лет. В течение этого времени половина первоначального количества урана распадается на свинец и гелий.

Таким же образом можно измерить возраст других небесных тел, например, метеоритов. По данным таких измерений возраст верхней части мантии Земли и большинства метеоритов составляет 4,5 млрд лет.

Вид излучения и энергия (МэВ)

Ядро

I Уран 238

альфа (4,15-4,2) т

( р Торий 234

Протактиний 234

ф Уран 234

о Торий 230 альфа (4,62-4,69) V

ф Радий 226

ф Родон 222

Полоний 218

ф Свинец 214

бета бета

альфа (4,72-4,78)

альфа (4,60-4.78) альфа (5,49) альфа (6,0) бета бета альфа (7,69) бета бета альфа (5,305)

ф Висмут 214 (р) Полоний 214 ф Свинец 210 ф Висмут 210 ф Полоний 210 ф Свинец 206

Период

полураспада

4,47 млрд лет 24,1 суток

1,17 минуты 245 000 лет 8000 лет 1600 лет 3,823 суток 3,05 минуты 26,8 минуты 19,7 минуты 0,000164 секунды 22,3 года 5,01 суток 138,4 сугок Стабильный

решуш э.рф

19. Посмотрите на строение глаза и выберите правильный вариант ответа.

1) 2)

3)

4)

5)

1 - роговица; 2 - хрусталик; 3 - стекловидное тело. 1 - хрусталик; 2 - роговица; 3 - стекловидное тело. 1 - стекловидное тело; 2 - хрусталик; 3- роговица. 1- роговица; 2 - стекловидное тело; 3 - хрусталик.

20. На рисунке приведена схема хода лучей внутри глаза. Какому дефекту зрения (дальнозоркости или близорукости) соответствует приведенный ход лучей и какие линзы нужны для очков в этом случае?

1) близорукости, для очков требуется собирающая линза

2) близорукости, для очков требуется рассеивающая линза

3) дальнозоркости, для очков требуется собирающая линза

4) дальнозоркости, для очков требуется рассеивающая линза

Тест на выявление знаний в области научно-исследовательской и

проектной деятельности

В вопросах с выбором ответа выберите один вариант ответа.

1. Элементом научного аппарата исследования не является:

а) противоречие;

б) замысел исследования;

в) теоретическая значимость.

2. Где помещается научный аппарат исследования:

а) в самом начале работы, во введении;

б) в одной из глав работы на выбор исследователя;

в) в конце работы, в заключении.

3. Проблема научного исследования - это...

а) практическая задача, требующая решения;

б) «белое пятно» в науке;

в) то же самое, что тема исследования.

4. Основным критерием существования научной проблемы является:

а) наличие объективно существующих противоречий;

б) социальный заказ;

в) свойства и функции изучаемого объекта.

5. Тема научного исследования - это .

а) основной замысел исследования;

б) один из критериев научной работы;

в) лаконичная формулировка основного содержания исследования.

6. Какой метод имеет в своей основе получение результатов на основе показаний технических средств или благодаря работе органов чувств человека:

а) наблюдение;

б) формализация;

в) абстрагирование.

7. Методом, предполагающим разложение исследуемого предмета на составные части, является:

а) синтез;

б) анализ;

в) индукция.

8. Какой метод противоположен абстрагированию?

а) формализация;

б) конкретизация;

в) идеализация.

9. Эмпирическим методом не является:

а) методы диагностики;

б) методы проектирования;

в) методы эксперимента.

10. Этот метод не относится к теоретическим методам:

а) метод идеализации;

б) ранжирование;

в) моделирование.

11. Под методикой научной работы понимается:

а) совокупность методов ведения исследования;

б) учение о методах исследования;

в) последовательность этапов решения исследовательской задачи.

12. К способам апробации результатов научного исследования относятся:

а )__

б )_

в )__

г )_

13. Сформулируйте определения следующих понятий:

Актуальность исследования - это_

Объект исследования это

Предмет исследования - это_.

Гипотеза исследования - это_.

14. Заявка на изобретение (полезную модель, промышленный образец) включает в себя:

а )_;

б )_;

в )__;

г )_;

д )_;

е )_;

ж )_.

15. Проект - это

а) инженерная, техническая, организационно-правовая документация по реализации запланированного мероприятия;

б) ограниченное по времени, целенаправленное изменение отдельной системы с установленными требованиями к качеству результатов, с ограничениями расходования средств и со специфической организацией;

в) группа элементов (включающих как людей, так и технические элементы), организованных таким образом, что они в состоянии действовать как единое целое в целях достижения поставленных перед ними целей;

г) совокупность работ, продуктов и услуг, производство которых должно быть обеспечено с целью достижения поставленной цели.

16. Фаза проекта - это

а) набор логически взаимосвязанных работ проекта, в процессе завершения которых достигается один из основных результатов проекта;

б) полный набор последовательных работ проекта;

в) ключевое событие проекта, используемое для осуществления контроля над ходом его реализации.

17. Участники проекта - это

а) физические лица и организации, которые непосредственно вовлечены в проект или чьи интересы могут быть затронуты при осуществлении проекта;

б) конечные потребители результатов проекта;

в) команда, управляющая проектом;

г) заказчик, инвестор, менеджер проекта и команда проекта.

18. Инновационные проекты отличаются:

а) целью проекта является получение прибыли на вложенные средства;

б) высокой степенью неопределенности и рисков;

в) необходимостью использовать функциональные организационные структуры;

г) большим объемом проектной документации.

19. Ключевое преимущество управления проектами:

а) возможность с помощью инструментов планирования смоделировать детально и формализовать реализацию проекта;

б) возможность осуществить объективную оценку экономической эффективности инвестиционного проекта;

в) экономия времени и ресурсов на реализацию проекта за счет применения эффективных методов, технологий и инструментов управления;

г) формирование эффективной команды по реализации поставленной цели. 20) На стадии разработки проекта:

а) расходуется 9-15% ресурсов проекта;

б) расходуется 65-80% ресурсов проекта;

в) ресурсы проекта не расходуются.

21. Цель проекта - это:

а) желаемый результат деятельности, достигаемый в итоге успешного осуществления

проекта в заданных условиях его выполнения;

б) направления и основные принципы осуществления проекта;

в) получение прибыли;

г) причина существования проекта.

22. Определите последовательность в иерархической структуре целей и задач (сверху вниз):

1) миссия;

2) стратегическая цель;

3) тактические цели;

4) оперативные задачи.

23. Основной результат стадии разработки проекта:

а) сводный план осуществления проекта;

б) концепция проекта;

в) достижение цели и получение ожидаемого результата проекта;

г) инженерная проектная документация.

24. Диаграмма Ганта - это

а) организационная структура команды проекта;

б) документ, устанавливающий основные ресурсные ограничения проекта;

в) графическое изображение иерархической структуры всех работ проекта;

г) дерево ресурсов проекта;

д) горизонтальная линейная диаграмма, на которой работы проекта представляются протяженными во времени отрезками, характеризующимися временными и другими параметрами.

25. Планирование проекта - это

а) разовое мероприятие по созданию сводного плана проекта;

б) непрерывный процесс определения наилучшего способа действий для достижения поставленных целей проекта с учетом складывающейся обстановки;

в) это стадия процесса управления проектом, результатом которой является санкционирование начала проекта.

26. Структурная декомпозиция работ (СДР) проекта - это

а) графическое изображение иерархической структуры всех работ проекта

б) дерево ресурсов проекта;

в) организационная структура команды проекта;

г) направления и основные принципы осуществления проекта.

27. Жизненный цикл проекта включает следующие базовые фазы:

а) концепция, разработка, реализация, завершение;

б) миссия, разработка, реализация, завершение;

в) цель, разработка, реализация, завершение;

г) концепция, цель, развитие, завершение.

28. Реализация проекта - это стадия процесса управления проектом, результатом которой является:

а) санкционирование начала проекта;

б) утверждение сводного плана;

в) осуществление проектных работ и достижение проектных целей;

г) архивирование проектной документации и извлеченные уроки.

29. Перечислите роли в проектной команде:

а )_;

б )_;

в)_.

30. Перечислите этапы деятельности по проекту (сверху вниз):

а) планирование проекта;

б) исполнение проекта;

в) инициация проекта;

г) завершение проекта.

ПРИЛОЖЕНИЕ В Нестандартные задачи по физике (с естественно-научным содержанием)

из Семке А.И.

1. Условие задачи: У некоторых птиц наблюдаются значительные колебания температуры тела. Например, у колибри е холодные ночи температура тела почта равна температуре окружающей среды {ивогда снижается до 1В:8 °С): и все функции организма значительно замедлены. Подобные явления оцепенения отмечены у стрижен и ласточек в холодную, пасмурную погод}7. Обнаруживали скопление оцепеневших птиц, которые, однако, сживали и улетала прочь, как только их брали в рука. Снижение температуры тела и ваадение в состояние длительного оцепенения может быть вызвано сочетанием неблагоприятвон внешней температуры а недостатка пищи. Возрос: Почему замедляются все функции организма птиц при понижена он температуре? Ответ: с понажеаием температуры уменьшается скорость движения молекул, а, следовательно, замедляются и все функции организма (обмен веществ, кровообращенве и т.п.)

2 Условие задачи: Кость - компознциовныв материал и состоит из двух совершеано различных компонентов - коллагена и минерального вещества. Известным примером композиционного материала служит стеклопластик, представляющий собой смесь стеклянвых волокон и смолы. Как это не удивительно, но кость по своей прочности уступает только твердым сортам стали и оказывается гораздо прочвее ставших образцас-ш гранита и бетона. Вопрос: Какова коэффициент жесткости берцоЕой кости, если масса человека £6 кг: а кость сжимается на (132 мм? Ответ'. 2,7 МНУм

3 Условие задачи: Как известно, алмаз и графит состоят вз атомов углерода. Вопрос: Почему так сильно различаются их физические свойства? Ответ: Алмаз и графит - ато аллотропные формы углерода. Алмаз - бесцветные кристаллы, атомы углерода образуют атомную кристаллическую решетку с прочвыми ковалентными ¡¿-связями. Графит - словстое кристаллическое вещество, жврное на ощупь. Атомы углерода образуют слои вз шествчленных колец.

4 Условие задачи: У зайца большие ^шн. но совсем не дня того, чтооы подслушивать. А дня того, чтобы нмн...потеть. Сидит е летний зной заяц под кустом, и ем1/ совсем пить не хочется. Лишнее тепло улетучивается через тонкие горячие заячьи уши с большим количеством гровеносных сосудов. Каждый квадратный сантиметр уха. излучает до 10 калорий тепла б час. Б жару заяц и уши отесдят треть тепла, образующегося при обмене веществ. Зокрос: Сколько энергии излучают заячьи ^тпн за 1 сутки с квадратного сантиметра? Omeew: Примерно 1 ООО Дж энергии.

í Условие задачи: Скорость движения гровн б аорте o,f м-с. а по капиллярам кровь течет со скоростью 0.5 мм-с. Полный оборот гровн через оба круга кровосорашения совершается за 21-2 с. Закрое. Определите частоту полного оборота креви у человека? Omeew: 0.05 1с

6 Условие задачи: Летать по-настоящему пингвины не умеют. но их умению маневренно и быстро передвигаться в воде позавидовал сы самый лучший летун среди пернатьгх. Пингвин «летит», быстро работал крыльями. как веслами Под водой пингвины развивают скорость до 30км ч. Помимо головного моллюсков, пингвин питается рьгоои а здесь оез умения быстро плавать можно и голодными остаться. Запрос: Какое расстояние пннгенн проплывает с максимальной скоростью за 5с" Omeew: 42 м

7 Условие задачи: Осооую безопасность дня скеана представляет нефтяное загрязнение. В результате утечки нефти при ее добыче, транспортировке н переработке в Мировой океан ежегодно попадает (пс разным источникам) от 3 дс 10 млн. тонн нефти н нефтепродуктов. Космические снимки показывают, что уже околс 1 3 всей его поверхности некрыта маслянистой пленкой. Запрос: Какой врер приносит маслянистая пленка на поверхности мерей. океаноЕ. озер? Omeew: снижает испарение, угнетает развитие планктона, ограничивает взаимодействие скеана с атмосферой.

S Условие задачи: Через поры взрослого человека, выполняющего обычную работу, испаряется 0:7 л пота в день. Это препятствует повышению температуры тела в способствует эвакуалии отработанных веществ. Для сравнения: жители тропвческих стран «(испускают» четыре литра в день. За всю свою -казнь мужчина выделяет 18 тысяч литров пота, а женщиаа -20 тысяч. Вопрос. Определвте эвергвю, которая требуется для испарения пота у обычного человека и жнгеля тропиков?

Условие задачи: Ка^ыв бронх заканчивается микроскопическими мешочкам (альвеолами), окруженными густой сетью кровеносных сосудов. Альвеолы, которых з' взрослого человека насчитывается около 300 миллионов, представляют собой пузырьки, наполненные воздухом. Средний диаметр альвеол - примерно 0,1мм, а толщина их стенок - 0,4мкм. Общая поверхность альвеол в легких человека составляет около 90м:. Вопрос. Определите энергию поверхноствого натяжевия для одной альвеолы. Оцените свлы поверхностного натяжения, действующие в легких человека0

10 Условие задачи: Диаметр паутинки составляет в среднем 0,5-4мкм. Масса паутины, равной во длине экватору земного шара: составляет примерно 340г. Из паутинных бородавок одного паука можно вытянуть до 4 км паутвны. В 1900 году е Париже на Всемирной выставке демонстрировался канат аз паутнны для удержания воздушного шара. Масса каната составляла всего 300 г. Вопрос. Сделайте чертеж и покажите все силы, девствующие на паутину прн действии на вее воздушного шара?

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева»

РАБОЧЯЯ ПРОГРАММА научно-исследовательского кружка «Магия науки»

44.03.05 Педагогическое образование

(с двумя профилями подготовки)

Профили подготовки Физика и информатика

Квалификация (степень) выпускника Бакалавр

Зав. кафедрой

общей и теоретической

¡физики

Форма обучения очная

Чебоксары

2018

Рабочая программа кружка «Магия науки» составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)», утвержденного приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 9 февраля 2016 года № 91 и ОПОГ1 ВО 44.03.05 «Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)».

Рабочая программа кружка «Магия науки» предназначена для студентов 1 -5 курсов профилей подготовки «Физика и информатика» очной формы обучения. Срок реализации: 2019-2023 учебный год. Количество часов: 190 ч.

Программа рассчитана на 2 часа, один раз в две недели. Общий объём - 38 часов в год. Кружок проводится в субботу, с 13.00-15.00.

Программа одобрена на заседании кафедры общей и теоретической физики, от 29 октября 2018 протокол № 3.

Автор

/ Т. Л. Петрушкина

/ Л.И. Ки шев

Декан ФМФ

2

Кейс-стадии, направленные на оценку уровня деятельно-практического компонента естественно-научной компетентности.

Кейс 1

Изучить вращения плоскости поляризации оптически активными веществами

Цель: изучение вращения плоскости поляризации оптически активными веществами и его практического использования.

Приборы и оборудование: поляриметр М-3, набор кювет с растворами оптически активных веществ.

Краткие теоретические сведения

1. Естественное вращение плоскости поляризации света.

При прохождении линейного поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Такие вещества получили название оптических активных. Оптически активные вещества подразделяются на три типа:

1) активные только в кристаллической фазе (кварц, киноварь);

2) активные и в жидком, и в кристаллическом состоянии (скипидар, никотин);

3) активные только в растворах неактивных растворителей (сахар, камфора, винная кислота).

У первого типа оптическая активность обусловлена ассиметричным строением кристаллической решетки (анизотропия), у второго и третьего-асимметричным строением их молекул.

Поворот плоскости поляризации может происходить либо по ходу часовой стрелки, либо против нее, если смотреть навстречу ходу лучей света. Соответственно, оптически активные вещества делятся на право - и левовращающие. Направление вращения не зависит от направления луча в оптически активной среде. Поэтому, если, например, луч, прошедший через активную среду, отразить зеркалом и заставить пройти через эту среду еще раз в обратном направлении, то восстанавливается первоначальное положение плоскости поляризации.

Кристаллические вещества (например, кварц) вращают плоскость поляризации в случае, когда свет распространяется вдоль его оптической оси. Экспериментально обнаружено, что в этом случае угол поворота плоскости поляризации равен

а = а01, ( 1 )

где I - расстояние, проходимое светом в оптически активной среде; а0- так называемая постоянная вращения. Постоянная вращения зависит от природы вещества, температуры и длины волны света.

Вышеуказанная закономерность наблюдается и для веществ, оптически активных и в жидком, и в кристаллическом состоянии.

В растворах угол поворота а пропорционален пути I света в растворе и концентрации с раствора:

Вышеуказанная закономерность наблюдается и для веществ, оптически активных и в жидком, и в кристаллическом состоянии.

В растворах угол поворота а пропорционален пути I света в растворе и концентрации с раствора:

а=[а0 ]с1 (2)

где [а0 ] - коэффициент пропорциональности, называемый удельным вращением. Удельное вращение обратно пропорционально квадрату длины волны ([а0]~1/Л2), кроме того, зависит от природы вещества и температуры.

Выражения (1) и (2) носят названия законов Био.

2. Объяснение вращения плоскости поляризации.

Вращение плоскости поляризации можно объяснить в предложении, что в оптически активные вещества световые волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковыми скоростями (исторически впервые такое объяснение дал Френель). Линейно поляризованный свет можно представить, как суперпозицию двух поляризационных по кругу волн, правой и левой, с одинаковыми частотами и амплитудами (рис. 1.а). Действительно, геометрическая сумма Е световых векторов и Е2 поляризованных по кругу волн в каждый момент времени будет лежать в одной и той же плоскости. Если скорости распространения обеих волн неодинаковы, то при прохождении через вещество один из векторов (например, Е2) будет отставать в своем вращении от

другого (рис.1.б). Результирующий вектор Е' будет повернут в сторону более «быстрого» вектора, причем, чем большее расстояние пройдет свет, тем больше будет и угол поворота.

Различие в скоростях света с разным направлением круговой поляризации может быть обусловлен (как уже указывалось выше) либо асимметрией молекул, либо асимметричным размещением атомов в кристалле. Оказывается, что все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях -правовращающей и левовращающей. Таким образом, существуют право- и левовращающий кварц, право- и левовращающий сахар и т.д. Молекулы или кристаллы одной разновидности являются зеркальным отражением молекул или кристаллов другой разновидности. Численные значения постоянных вращений а0 (или удельных вращений [а0] в случае растворов) у них одинаковые.

Рис. 1.а Рис.1.б.

3. Практическое использование вращения поляризации.

Если между поляризатором и анализатором, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны, поместить кювету с раствором оптически активного вещества, то поле зрения просветляется. Чтобы снова затемнить поле зрения, необходимо повернуть плоскость поляризации анализатора на угол а, определяемый выражением (2). Зная удельное вращение [а0 ] вещества и длину I, можно, измерив угол поворота а, определить по формуле (2) концентрацию раствора с. Такой способ определения концентрации широко применяется в производстве различных веществ, в частности в сахароварения (соответствующий прибор называется сахариметром).

Однако вышеописанная методика обладает существенным недостатком, связанный с тем, что установка анализатора на темноту не может быть визуально осуществлена достаточно точно. Поэтому в соответствующие приборы между поляризатором и анализатором вводят дополнительные приспособления, с помощью которых производится установка не на темноту, а на равенство освещенностей двух половин поля зрения. Такие приборы называются поляриметрами. Они позволяют с большой точностью измерить угол поворота плоскости поляризации света при его прохождении через оптически активные вещества.

Одним из способов, позволяющий сравнивать освещённости двух половинок поля зрения, является введение на пути луча кварцевой пластинки до половины поля зрения (Например, в поляриметре СМ-3, используемым в данной работе, применен этот метод сравнения). При прохождении части света через кварцевую пластину происходит дополнительный поворот плоскости поляризации на некоторый угол. Свет в другой половине поля зрения проходит только через поляризатор и анализатор. На рис.2 показаны случаи, когда анализатор перпендикулярен (рис.2.а) и параллелен (рис.2.б) плоскости

поляризатора (заштрихованная область поля зрения соответствует лучам, прошедшим через кварцевую пластину).

Рис. 2.а

Рис.2.б

Здесь Ех - вектор амплитуды лучей, прошедших через кварцевую пластину, а Е2 - лучей, не прошедших через нее. Как видно из рисунка, в отсутствие оптически активного вещества между поляризатором и анализатором в первом случае амплитуда Е1а прошедшего через анализатор света мала по сравнению с Е1 или Е2. Во втором случае амплитуда будет сравнима с Е1 или Е2. Человеческий глаз лучше сравнивает освещенности полей при минимальной интенсивности, поэтому чаще всего пользуются случаем, который приведен на рисунке 2.а.

Для выравнивая освещённостей необходимо повернуть плоскость

поляризации анализатора на некоторый угол, чтобы проекции Е'1а и Е'2а были одинаковы.

При помещении оптически активного вещества яркости обеих половинок поля зрения меняются. Это происходит вследствие того, что в обеих частях поля зрения плоскости колебаний Е1 и Е2 повернутся на один и тот же угол а (рис.3). Для восстановления равенства освещенностей необходимо повернуть анализатор на этот же угол а, равный углу поворота плоскости поляризации света при прохождении им оптически активного вещества.

Кейс 2

Определить удельное вращение сахара

Методика эксперимента и описание приборов

В данном задании определяется удельное вращение сахара. Для этого используется поляриметр СМ-3 и кювета с раствором сахара известной концентрации с1. Экспериментально определив с помощью поляриметра угол поворота ^плоскости поляризации света и зная длину кюветы I с раствором, по формуле (2) можно определить удельное вращение [ а0 ].

Упрощённая схема экспериментальной установки (поляриметра СМ-3) приведена на рис. 4. Кювета с раствором сахара известной концентрации 5 помещается между поляризатором 6 и анализатором 3.