Методика использования новых информационных технологий в процессе преподавания квантовой физики в педагогических вузах: Нефизические специальности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, кандидат педагогических наук Демин, Евгений Вадимович

• Демин, Евгений Вадимович
• кандидат педагогических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат педагогических наук Демин, Евгений Вадимович

Введение

Глава 1. Состояние проблемы использования новых информационных технологий при изучении квантовой физики

I. I Роль и место квантовой физики в подготовке учителей естественно-математических специальностей

1.2 Анализ практики использования новых информационных технологий при изучении физики

1.3 Обзор программно-педагогических средств по квантовой физике

1.3.1 Программно-педагогические средства, ориентированные на школу

1.3.2 Программно-педагогические средства, ориентированные на ВУЗ 59 Выводы по главе

Глава 2. Методическое обеспечение компьютерного эксперимента по квантовой физике 2.1 Требования, предъявляемые к программно-педагогическим средствам 65 <# 2.2 Компьютерный демонстрационный эксперимент по квантовой физике и методика его проведения

2.3 Лабораторный практикум по квантовой физике и методика его проведения

Выводы по главе

Глава 3. Педагогический эксперимент

3.1. Организация педагогического эксперимента

3.2. Результаты педагогического эксперимента

3.2.1 Констатирующий этап

3.2.2 Поисковый этап

3.2.3 Обучающий этап 111 Выводы по главе 3 135 Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика использования новых информационных технологий в процессе преподавания квантовой физики в педагогических вузах: Нефизические специальности»

Согласно ГОС ВПО дисциплина «Физика» входит в федеральный компонент блока общих математических и естественнонаучных дисциплин для таких специальностей как учитель информатики, математики, химии, биологии и географии. В дальнейшем для них мы будем использовать термин естественно-математические педагогические специальности. Физика дает нам понимание того, что нас окружает, позволяет понять процессы и законы, происходящие в природе. Она также может помочь при изучении студентами специальных дисциплин, например, строение молекул и основы квантовой химии, физическая химия, физическая география и т.д., а также в профессиональной деятельности.

Квантовая механика является основой современной физики. Большинство открытий в современной физике были предсказаны и описываются на основе квантовой механики. С точки зрения преподавания квантовая физика важна тем, что в ней формируются основные квантовые представления, закономерности и создается база для изложения учебного материала последующих разделов -статистической физики (поведение квантового идеального газа), физики твердого тела (квантовая природа электрических, магнитных и оптических свойств твердых тел). Для лучшего усвоения материала необходимо на протяжении всего курса физики, начиная с механики, говорить о границах применимости классического описания явлений, о существовании, наряду с непрерывным спектром энергии, дискретных спектров, о соотношениях неопределенностей. Все это, несомненно, облегчит изложение и восприятие основных понятий квантовой теории.

Опыт преподавания дисциплины «Физика» в педвузах студентам естественно-математических специальностей показывает, что изучение и восприятие основ квантовой физики сопряжено с рядом трудностей:

1) квантовая теория оперирует с множеством абстрактных понятий и математических моделей, которые затрудняют восприятие материала;

2) так как квантовая теория является частью теоретической физики, то возникает трудность, связанная с использованием сложного математического аппарата;

3) одним из главных недостатков данного курса, затрудняющих его восприятие, является отсутствие наглядности при его изучении.

Все это приводит к тому, что после прослушивания курса у студентов формируются недостаточно прочные и глубокие знания основ квантовой теории.

Возможно, на наш взгляд, несколько путей решения этих проблем.

1. Совершенствование методики изучения теоретической базы данного курса - отбор материала, структура и содержание лекционного курса.

2. Совершенствование методики проведения семинарских и практических занятий по решению задач.

3. Совершенствование экспериментальной поддержки курса, в том числе с использованием новых информационных технологий (НИТ).

Мы избрали для нашего исследования третий путь. Это позволит решить главную проблему данного курса — улучшит наглядность излагаемого материала. Введение новых компьютерных экспериментов (демонстрационных и лабораторных) повлечет за собой изменение структуры и содержания лекционного курса и семинарских занятий. В квантовой физике постановка реальных физических экспериментов в учебном процессе затруднена. Однако развитие новых информационных технологий и их средств открывают новые возможности решения этой проблемы.

Сегодня компьютер стал неотъемлемой частью современной жизни; он вошел во все сферы деятельности человека, в том числе и в образовании. Здесь он получил широкое распространение, являясь не только инструментом, но и средством получения новых знаний и навыков. Внедрение компьютера в учебный процесс расширяет возможности получения знаний об объектах изучения, а также дает возможность проведения самостоятельной, исследовательской работы на качественно новом уровне.

Компьютерное моделирование нашло широкое применение в физике, как при научных исследованиях, так и в процессе ее преподавания. Наибольшую ценность здесь представляют имитационные эксперименты, моделирующие физические явления, ненаблюдаемые в реальных условиях по разным причинам:

• из-за мелкомасштабности или крупномасштабности происходящих процессов,

• масштаб времени протекающего физического процесса не соответствует времени наблюдения,

• невозможности наблюдения явления по причинам, связанным с техникой безопасности, технической сложностью постановки эксперимента и т.п.,

• невозможностью управления'условиями проведения эксперимента. Эффективность использования НИТ определяется наличием качественных программно-педагогических средств (ППС). В последнее время разрабатывается большое их количество. Наибольший интерес вызывают программы, которые содержат интерактивные компьютерные модели. Используя такие программы и помощь преподавателя, учащиеся взаимодействуют с учебной моделью и получают знания об объекте изучения. Отличительной особенностью этого способа изучения является наличие обязательного этапа сопоставления знаний, полученных с помощью модели и явлений, происходящих в «натуральных условиях».

Количество натурных учебных экспериментов по квантовой физике невелико, а многие из них малоинформативны. Компьютерное моделирование является существенным дополнением к ним. Оно позволяет улучшить наглядность и детализацию явления.

Анализируя учебно-методическую литературу можно выделить следующие тенденции: стало уделяться большое внимание вопросу внедрения НИТ в учебный процесс (В.А. Извозчиков, В.В. Лаптев, A.C. Кондратьев, A.B. Смирнов, C.B. Панюкова, И.В. Роберт и др.). для курса физики средней школы разрабатываются ППС и методики их использования (Е.А. Манина, Н.Б. Розова, A.B. Кудрявцев, И.М. Нуркае-ва, О.Б. Медведев, O.E. Макарова, H.H. Гомулина и др.). разрабатываются методики использования НИТ в некоторых курсах физики высшей школы, ориентированные на студентов технических вузов (A.A. Лактионов, Л.С. Коновалец, Л.В. Миронова, Г.А. Шмелева, С.М. Куценко, E.H. Черкасская, Ю.В. Федорова и др.).

К сожалению, эти тенденции практически не затрагивают вопросы изучения квантовой физики: недостаточно учебных компьютерных программ, ориентированных на вопросы квантовой физики; практически отсутствуют методики использования НИТ при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Таким образом, налицо противоречие между значением знаний по квантовой физике для решения задачи обеспечения фундаментальности физического образования студентов естественно-математических специальностей и недостаточной теоретической и практической разработкой экспериментальной поддержки изучения квантовой физики, в том числе с использованием НИТ, при обучении студентов естественно-математических специальностей.

Это противоречие определило актуальность проведенного исследования. Объектом исследования является процесс изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Предметом исследования является методика использования НИТ в процессе изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Цель исследования заключается в теоретическом обосновании и разработке методики использования новых информационных технологий в процессе изучения квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов.

Гипотеза исследования заключается в том, что внедрение в учебный процесс компьютерного демонстрационного эксперимента, компьютерных модельных лабораторных работ будет способствовать повышению качества подготовки студентов по квантовой физике и развитию мотивации в ее изучении. Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:

• изучить состояние проблемы преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов;

• провести анализ научно-методической литературы, посвященной вопросам использования новых информационных технологий в процессе преподавания физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов;

• теоретически обосновать целесообразность и возможность включения. в учебный процесс компьютерного демонстрационного эксперимента и компьютерных лабораторных работ по квантовой физике;

• провести анализ ППС по квантовой физике и сформулировать требования к ним;

• создать компьютерные демонстрационные эксперименты и лабораторный практикум по квантовой физике с использованием НИТ;

• разработать методику проведения компьютерных модельных демонстраций, а также организации и проведения лабораторного практикума с использованием НИТ в процессе преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов,

• экспериментально проверить гипотезу о влиянии разработанной методики на повышение качества подготовки и учебную мотивацию студентов.

Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования и видов деятельности:

• анализ литературы по исследуемой проблеме;

• научно-методический анализ содержания учебных программ и учебных пособий по квантовой физике;

• изучение и анализ передового педагогического опыта;

• моделирование учебных ситуаций и проектирование учебного процесса;

• моделирование методики использования компьютерных моделей в лабораторном практикуме и демонстрационном эксперименте;

• педагогический эксперимент во всех его формах с целью проверки гипотезы исследования и статистическая обработка данных педагогического эксперимента.

Научная новизна исследования состоит в том, что

• обоснована особая роль, которую играют компьютерные модели при изучении квантовой физики, связанная с абстрактным характером учебного материала, отсутствием наглядности, трудностями в проведении реального эксперимента, противоречивыми свойствами квантовых объектов. отобрано содержание учебного материала по квантовой физике, для изучения которого целесообразно использование компьютерного модельного эксперимента; на основе существующих ППС создан комплект компьютерных модельных демонстраций по квантовой физике, имитирующих натурный эксперимент на макроуровне, микроуровне и иллюстрирующих результаты расчетов; определены возможности сочетания компьютерного модельного эксперимента и натурного эксперимента по квантовой физике, а именно показано, что это сочетание наиболее целесообразно при изучении таких тем, как квантовая оптика, спектральные закономерности, атом по Бору, эффект Зеемана; в учебном процессе педвуза при изучении волновых свойств микрочастиц, строения многоэлектронных атомов целесообразно использование только компьютерного модельного эксперимента; на основе существующих ППС разработаны компьютерные модельные лабораторные работы, которые могут проводиться для расширения и проверки результатов натурного эксперимента, для замещения реального эксперимента, для реализации математического моделирования как научного метода исследования.

Теоретическая значимость результатов исследования состоит в том, что в нем получили дальнейшее развитие теоретические основы методики использования НИТ при обучении физике (в частности, квантовой физики) применительно к учебному процессу по физике в высшей школе. Обоснована необходимость и определено место использования компьютерного модельного эксперимента в учебном процессе при изучении квантовой физики, а также пути его сочетания с натурным экспериментом.

Практическая значимость исследования заключается в разработке: комплекта компьютерного демонстрационного эксперимента по квантовой физике («Законы фотоэффекта», «Эффект Комптона», «Волновые свойства частиц», «Постулаты Бора», «Квантование электронных орбит», «Радиальные и угловые функции атома водорода», «Форма электронного облака», «Застройка электронных оболочек», «Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле»); компьютерных модельных лабораторных работ («Изучение дифракции электронов», «Исследование волновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности»); учебно-методических рекомендации по применению компьютерных демонстраций и лабораторных работ по квантовой физике в учебном процессе на естественно-математических факультетах педагогических вузов.

На защиту выносятся: Обоснование особой роли использования компьютерных моделей при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педагогических вузов, которая определяется спецификой учебного материала (абстрактностью, противоречивым характером, невозможностью создания адекватных наглядных образов квантовых объектов и явлений) и трудностями в проведении реального эксперимента (кратковременностью протекания физических явлений на микроуровне, невозможностью управления условиями проведения эксперимента, технической сложностью постановки эксперимента, требованиями техники безопасности).

2. Комплект компьютерных модельных демонстраций («Законы фотоэффекта», «Эффект Комптона», «Волновые свойства частиц», «Постулаты Бора», «Квантование электронных орбит», «Радиальные и угловые функции атома водорода», «Форма электронного облака», «Застройка электронных оболочек», «Расщепление линий натрия в поперечном магнитном поле»), разработанный на базе отобранных ППС.

3. Разработанные компьютерные модельные лабораторные работы по квантовой физике («Изучение дифракции электронов», «Исследование волновых функций атома водорода», «Эффект Зеемана и его закономерности») и методика их использования в лабораторном практикуме на естественно-математических факультетах педагогических вузов, включающая способы взаимодействия преподавателя и студентов, описания лабораторных работ, откорректированные программно-педагогические средства.

4. Основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

Результаты исследования докладывались на: Научно-методической конференции МПГУ, Москва, 2003 г.

Седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования», Санкт-Петербург, 2003 г. Научно-методической сессии МГТГУ, Москва, 2004 г.

Научно-методических семинарах кафедры физики для естественных факультетов и кафедры теории и методики обучения физике МПГУ.

По теме исследования опубликовано 6 печатных работ в журналах, сборниках и трудах конференций:

1. Демин Е.В., Королева Л.В. Лабораторный практикум по квантовой физике для естественных специальностей педвузов с использованием компьютерного моделирования // Наука и Школа. - 2004. - № 1. - С. 51-52. 0,2 п.л. (50% авторских).

2. Демин Е.В., Королев М.Ю. Методика использования математической среды МаЛсас! в лабораторном практикуме по квантовой физике // Юбилейный сборник МПГУ. В сб.: Актуальные проблемы математики, физики, информатики и методики их преподавания. - М.: Прометей, 2003. - С. 237-239. 0,19 пл. (50% авторских).

3. Демин Е.В., Королева Л.В. Использование информационных технологий в лабораторном практикуме по квантовой физике // Научные труды МПГУ. Серия: Естественные науки. Сб. статей. - М.: Прометей, 2003. — С. 235-238. 0,25 пл. (50% авторских).

4. Демин Е.В., Королева Л.В. О лабораторном практикуме по разделу «Квантовая физика» для естественных специальностей педагогических вузов // Научные труды МПГУ. Серия: Естественные науки. Сб. статей. — М.: Прометей, 2004. - С. 158-161. 0,25 п.л. (50% авторских).

5. Демин Е.В., Королева Л.В. Моделирование эффекта Зеемана в физическом практикуме для естественно-математических специальностей // Актуальные проблемы математики, информатики, физики и математического образования (юбилейный сборник 70 лет кафедре математического анализа Московского педагогического государственного университета). — М., МПГУ, 2004. - С. 601-609. 0,56 п.л. (50% авторских).

6. Демин Е.В., Королева Л.В. Лабораторный практикум по квантовой физике — цели, задачи, содержание // Тезисы седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования»: Т.2. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2003. - С. 173-174. 0,12 п.л. (50% авторских). Педагогический эксперимент по проведенному исследованию выполнялся с 2001 по 2004 гг. Он содержал три этапа: констатирующий (2001-2002 гг.), поисковый (2002-2003 гг.) и обучающий (2003-2004 гг.). Всего в эксперименте участвовало 12 преподавателей и более 800 студентов Московского педагогического государственного университета.

Педагогический эксперимент проводился с использованием метода интервьюирования преподавателей, а также, анкетирования и тестирования студентов. Результаты исследования были подвергнуты статистической обработке.

Основные результаты исследования внедрены в практику работы кафедры физики для естественных факультетов Московского педагогического государственного университета.

Структура и содержание диссертации: диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 191 страницу, из них 137 страниц основного текста. В тексте диссертации 23 рисунка, 10 таблиц, 3 приложения. В списке литературы 183 наименования.

Заключение диссертации по теме «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», Демин, Евгений Вадимович

Выводы по главе 1

1. Результаты констатирующего этапа педагогического эксперимента показали, что квантовая физика дает существенный вклад в систему фундаментальной и профессиональной подготовки студентов естественно-математических специальностей педагогических вузов и необходимо дальнейшее совершенствование методики ее преподавания.

2. Проблема использования НИТ в квантовой физике является актуальной на сегодняшний день, т.к. рассмотрены лишь некоторые частные вопросы и отсутствуют методики использования НИТ в процессе преподавания квантовой физики.

3. Необходимо рассмотреть вопрос эффективного сочетания (или замещения) компьютерных модельных экспериментов и натурного эксперимента в квантовой физике.

Глава 2.

Методическое обеспечение компьютерного эксперимента по квантовой физике

2.1 Требования, предъявляемые к программно-педагогическим средствам

Анализ литературных источников показал, что лишь малая часть учебных компьютерных программ является удовлетворительной. Объясняется это стихийностью процесса создания этих программ. Проблему создает также самопроизвольный в большинстве случаев ход внедрения компьютерных программ в практику обучения [22, 124, 152, 153, 56, 72, 157, 100].

В работе И.В. Роберт указывается на то, «что наиболее существенными причинами создания низкокачественных (с педагогической точки зрения) компьютерных программ является, во-первых, частичное, а порой и полное игнорирование дидактических принципов обучения при их разработке и, во-вторых, неправомерный перенос традиционных форм и методов обучения в новую технологию обучения, использующую компьютер. Так как разработка программных средств учебного назначения - сложный процесс, требующий коллективного труда не только учителей, методистов, программистов, но и психологов, гигиенистов, дизайнеров, то необходимо предъявление комплекса требований к программным средствам (ПС) учебного назначения» [125].

И.В. Роберт был разработан комплекс требований к программным средствам, используемым в процессе обучения. К ним относятся:

• педагогико-эргономические требования,

• дидактические требования (обеспечение научности содержания, доступности, систематичность и последовательность обучения, адаптивности, и т.п.),

• эргономические требования к содержанию и оформлению (необходимость: учитывать возрастные и индивидуальные особенности учащихся, обеспечивать положительные стимулы при общении обучаемого с программой, доброжелательную и тактичную форму обращения к ученику и т.п.),

• психологические требования,

• гигиенические требования,

• эстетические требования,

• технические требования.

Мы согласны с тем, что программное средство, используемое в процессе обучения, должно удовлетворять всем выше перечисленным требованиям. Однако проведение такой экспертной оценки может занять значительное количество времени. Мы же попытаемся выделить те требования, на которые следует обратить внимание в первую очередь преподавателю при использовании ППС в учебном процессе.

Использование вычислительной техники наиболее оправдано на лекционных и лабораторных занятиях, где компьютер открывает новые возможности для их эффективного проведения. При таком подходе компьютер должен использоваться как инструмент в познании закономерностей микромира, что позволит облегчить студентам понимание основных положений квантовой физики и даст возможность показать прикладное значение этой теории. Использование компьютерных моделей позволит проводить физический эксперимент максимально приближенный к натурному. Таким образом, можно будет демонстрировать эксперименты, которые в традиционной методике излагаются только результативным образом.

Физический эксперимент с компьютерными моделями объединяет в себе все основные дидактически важные характеристики основных типов эксперимента, повышая тем самым свой обучающий потенциал. Компьютерный эксперимент можно классифицировать: 1. По дидактическим целям:

1) изучение нового материала;

2) повторение изученного;

3) систематизация и обобщение изученного;

4) формирование практических и исследовательских умений и навыков;

5) контроль знаний, умений и навыков.

2. По содержанию:

1) наблюдение, изучение явлений;

2) выяснение, иллюстрация физических закономерностей, зависимостей между величинами;

3) определение физических констант.

3. По месту в учебном процессе:

1) предваряющий изучение материала;

2) сопутствующий изучению материала;

3) завершающий изучение материала.

4. По формам постановки учебного эксперимента:

1) проблемный эксперимент;

2) исследовательский;

3) иллюстративный.

5. По степени активности и самостоятельности учащихся в ходе эксперимента:

1) пассивно-иллюстративный эксперимент;

2) репродуктивный;

3) частично-поисковый;

4)творческий.

6. По методам выполнения и обработки результатов:

1) качественный;

2) измерительный;

3) функционально-количественный.

7. По организационным формам учебной деятельности учащихся:

1) фронтальные лабораторные работы;

2) индивидуальный лабораторный эксперимент;

3) физический практикум [137].

Однако высокая эффективность проведения эксперимента достигается при соблюдении определенных требований.

Сама по себе компьютерная модель (программа) должна удовлетворять требованиям универсальности, адекватности, точности, экономичности, доступности [122, 131, 11, 72].

О степени универсальности моделирующих компьютерных программ судят по тому, насколько полно она отображает свойства реального объекта. Любая моделирующая компьютерная программа описывает свойства объекта приближенно и представляет собой упрощение реальной ситуации.

Точность моделирующей компьютерной программы - это степень совпадения реально измеренных значений параметров явления или объекта и значений тех же параметров, полученных с помощью математической модели. Это необходимо для успешного использования модели, ибо обеспечивает высокую степень доверия учащихся к получаемому результату.

Адекватность моделирующей компьютерной программы заключается в том, что она рассматривается как некоторый продукт сознания, тождественно отображающий фрагмент объективной реальности. Компьютерная программа не есть сама действительность, она лишь ее отражает. Моделирующая программа обязана давать возможность выводить достоверные следствия, а также должна отражать существенные для учебных целей свойства объекта с заданной степенью точности.

При работе с моделирующей компьютерной программы нужно учитывать уровень знаний, умений и навыков учащихся. Поэтому необходимо выполнять требование доступности той информации, которую должна нести учащимся данная программа.

Экономичность моделирующей компьютерной программы характеризуется затратами вычислительных ресурсов на ее реализацию.

Если компьютерная модель (программа) используется на лекционных занятиях, то она должна удовлетворять основным требованиям к демонстрационному эксперименту.

1. Научность содержания моделирующих компьютерных программ. Реализация этого принципа направлена на приобщение студентов к методам науки (в частности, к имитационно-моделирующей деятельности) и опирается на закономерную связь между содержанием наук и учебного предмета.

2. Выразительность и эмоциональность.

3. Наглядность эксперимента и его видимость в большой аудитории. Наглядность предполагает ясную и понятную постановку демонстрационного опыта [151, 161].

Некоторые авторы [131, 98, 11, 72, 34] вводят к этим основным требованиям ряд дополнительных.

Убедительность — это требование к демонстрации опыта, который не может привести к неверному толкованию.

Эффективность эксперимента во многом зависит от его надежности и воспроизводимость. Под этим понимается получение желаемого результата с достаточной степенью точности и повторение этих результатов при одних и тех же начальных условиях и параметрах явления. Здесь следует различать два аспекта. Первый — воспроизведение опыта в том же варианте, в котором он был продемонстрирован первоначально; второй - это повторение опыта в несколько измененном варианте. Вариативность опыта способствует более глубокому раскрытию сущности изучаемого явления или процесса, помогает создать условия для сравнений и сопоставлений.

Если компьютерная модель (программа) вводится в структуру лабораторных занятий, то добавляется еще несколько дополнительных требований [72].

Адаптивность. Под требованием адаптивности моделирующих компьютерных программ следует понимать, с одной стороны, приспособляемость к индивидуальным особенностям учащихся, с другой — обеспечение возможности приспособления программы для тех или иных видов занятий по усмотрению преподавателя. Моделирующие компьютерные программы должны предусматривать различные уровни трудности заданий для учащихся.

Систематичность и последовательность обучения с помощью моделирующих компьютерных программ. При создании моделирующих компьютерных программ систематичность обеспечивается расположением материала в определенной последовательности для овладения учащимися знаниями, умениями, навыками.

Отобранные нами требования можно представить в виде схемы. л

Проанализировав существующие ППС (см. главу 1), мы выбрали две программы, которые после соответствующей корректировки и модернизации будут наиболее полно, на наш взгляд, отвечать целям и выделенным требованиям для проведения демонстрационных и лабораторных экспериментов по квантовой физике. Это «Открытая физика 1.0 часть II» и «Физика микромира на компьютере». Эти программы обладают еще рядом преимуществ таких как: невысокие технические требования к компьютеру, большое разнообразие моделей, высокая степень интерактивности моделей, простой и удобный интерфейс.

Следует обратить внимание на следующее: несмотря на то, что компьютерный эксперимент имеет много достоинств, замещать полностью реальный эксперимент на компьютерный нецелесообразно, так как только в реальном опыте можно ощутить всю полноту и суть явления. Желательно найти разумное сочетание компьютерных и натурных экспериментов.

2.2. Компьютерный демонстрационный эксперимент по квантовой физике и методика его проведения

В последнее время уделяется большое внимание роли и месту демонстрационного эксперимента в процессе преподавания физики в педвузе. Решение этих вопросов теснейшим образом связано с совершенствованием высшего педагогического образования. В ряде диссертационных исследований [67, 28, 29, 82, 41, 27 и др.] отмечается, что: в процессе преподавания физики в педвузах принцип наглядности следует рассматривать как одно из средств связи теории с практикой, науки с жизнью; не только в теории надо выделять и проводить стержневые идеи, но и эксперимент готовить так, чтобы объединять изучение целых разделов специально разработанной единой методикой.

Современная высшая школа требует от своих выпускников высокого уровня не только научной, но и профессиональной подготовки. Это накладывает дополнительные требования на содержание и методику выполнения физического демонстрационного эксперимента, разрабатываемого для студентов. Необходимо учесть, что в учебном плане для специальностей «математика и информатика», «информатика и математика», «химия», «биология», «география» на лабораторный практикум по физике отводится малое количество часов (около 20-60 часов), а, следовательно, ряд задач практикума перекладывается на лекционные демонстрации.

Дидактические задачи лекционных демонстраций: расширять содержание изучаемого материала; способствовать усвоению и закреплению изучаемого материала; знакомить с экспериментальными методами исследования в науке; отражать современные достижения науки и техники.

Очень важно на лекциях демонстрировать не только окончательный результат теоретического исследования, но и стремиться проиллюстрировать промежуточные этапы поиска истины. Процесс обучения необходимо максимально приблизить к процессу научного исследования. Для этого, прежде всего, требуется, чтобы студенты были достаточно подготовленными. Могли самостоятельно анализировать и обобщать научные факты и результаты исследований. Как показывает опыт, решению этой задачи способствует правильная постановка лекционных демонстраций.

Если рассматривать натурные демонстрационные эксперименты по квантовой физике, то они представлены в очень малом объеме. Так, в пособиях по демонстрационному эксперименту мы можем найти следующие опыты:

Излучение нагретых тел [81, 50].

• Опыт с кубиком Лесли.

• Опыт с образцами в муфельной печи.

• Демонстрация модели черного тела.

Фотоэффект.

• Обнаружение фотоэлектрического эффекта на металлической пластине (демонстрация внешнего фотоэффекта) [102, 85, 6, 38, 146].

• Обнаружение фототока (опыт Столетова) [102, 6, 146, 138, 76].

• Демонстрация зависимости фототока от напряжения и интенсивности света [38, 146, 138, 76, 144].

• Демонстрация зависимости запирающего напряжения от частоты света [146, 138, 76, 144].

Рассмотрение многих вопросов квантовой физики на лекционных занятиях возмоэ/сно при использовании компьютерных моделей, что будет рассмотрено в данной главе работы.

Нами разработаны компьютерные модельные демонстрации следующих типов:

1) имитирующие натурный эксперимент на макроуровне;

2) моделирующие натурный эксперимент на микроуровне;

3) иллюстрирующие результаты расчетов.

Остановимся на методике использования каждого из этих типов моделей на лекциях по квантовой физике.

Компьютерные модели, имитирующие натурный эксперимент на макроуровне, воспроизводят экспериментальную установку, ход действий и результаты натурного эксперимента. Такие демонстрации не должны подменять сам натурный эксперимент. Это следует из того неоспоримого факта, что результаты натурного эксперимента отражают действительность, а результаты компьютерных экспериментов задаются создателями программы и не несут новой информации об окружающем мире. Применение компьютерных моделей целесообразно в двух случаях:

1) натурный эксперимент недостаточен для демонстрации какого-либо физического явления;

2) натурный эксперимент невозможен.

В первом случае компьютерная модель дополняет натурный эксперимент. Например, преподаватель вводит понятие о внешнем фотоэффекте с опорой на натурный эксперимент. Затем информирует студентов о количественных закономерностях явления, сопровождая этот фрагмент лекции компьютерной моделью.

Во втором случае важно, чтобы связь с натурным экспериментом-прообразом была осознана студентами. С этой целью следует включать сведения из истории физики, приводить результаты натурных экспериментов.

Компьютерные модели, моделирующие натурный эксперимент на микроуровне, воспроизводят мысленную модель микропроцессов, предложенную учеными для объяснения того или иного физического явления. В данном случае модель расшифровывает натурный эксперимент, переводит его на новый язык — язык микромира, дает опору для объяснения результатов натурного эксперимента. Поэтому при любых условиях целесообразно их органичное сочетание, а в тех случаях, когда натурный эксперимент невозможен — сочетание информации о натурном эксперименте (и его результатах) с рассматриваемой компьютерной моделью.

Компьютерные модели, иллюстрирующие результаты расчетов, воспроизводят результаты математических расчетов в наглядной графической форме, позволяющей провести их объяснение и анализ. Например, модель иллюстрирует решения уравнения Шредингера для водородоподобных систем.

В табл. 1 приведены основные темы квантовой физики с указанием соответствующих натурных экспериментов и компьютерных моделей («Открытая физика 1.0 часть II» «Физика микромира на компьютере»). На основе этих компьютерных моделей нами были разработаны соответствующие лекционные демонстрации и методика их проведения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат педагогических наук Демин, Евгений Вадимович, 2004 год

1. Рассмотрим организацию лабораторного практикума по квантовой физике.

2. В завершении главы приведем основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

3. Обоснована необходимость использования НИТ при изучении квантовой физики.

4. Сформулированы критерии для отбора программ.

5. Разработаны лекционные демонстрации и лабораторные работы на основе компьютерных моделей.

6. Разработана методика использования компьютерного модельного эксперимента в лекционных демонстрациях и лабораторном практикуме в процессе преподавания квантовой физики студентам естественно-математических специальностей педагогических вузов.

7. Сформулированы основные положения методики применения компьютерных модельных экспериментов при изучении квантовой физики студентами естественно-математических специальностей педвузов.

8. Глава 3. Педагогический эксперимент

9. Организация педагогического эксперимента

10. Целью экспериментального исследования являлось установление эффективности обучения квантовой физике и повышение качества усвоения знаний обучаемых на основе использования новых информационных технологий.

11. Целью педагогического эксперимента является проверка основных положений данной гипотезы.

12. Главными задачами педагогического эксперимента являлись:

13. Выяснение необходимости применения НИТ в процессе преподавания квантовой физики.

14. Выяснение необходимости создания современных методических рекомендаций по использованию НИТ.

15. Проверка возможности применения ППС «Открытая физика» и «Физика микромира» в изучении квантовой физике.