Проблема экспериментального изучения волновых процессов: на примере упругих волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, кандидат педагогических наук Вараксина, Екатерина Ивановна

• Вараксина, Екатерина Ивановна
• кандидат педагогических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат педагогических наук Вараксина, Екатерина Ивановна

Введение

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3.6. Теоретические основы совершенствования лабораторного практикума по экспериментальной физике.

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

2.1. Система учебного физического эксперимента с упругими волнами.

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

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

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

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

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

Глава 3. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В СРЕДНЕЙ

И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

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

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

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

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проблема экспериментального изучения волновых процессов: на примере упругих волн»

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

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

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

Проблема исследования заключается в преодолении противоречий:

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

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

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

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

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

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

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

Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.

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

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

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

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

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

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

Научная новизна исследования заключается в том, что:

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

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

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

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

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

Теоретическая значимость определяется тем, что в сфере дидактики физики

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

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

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

Практическая значимость состоит в следующем:

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

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

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

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

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

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

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

Положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

Логика исследования включает следующие этапы.

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», Вараксина, Екатерина Ивановна

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

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

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

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

ГЛАВА 2

УЧЕБНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ КАК ОСНОВНОЕ СРЕДСТВО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ

УПРУГИХ ВОЛН

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подробно процесс изготовления магнитострикционного излучателя изложен в Приложении 1.

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

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

4.5-20В -О

Я1 15к

И2 2 к о

VТГ КТ817П а С1 0,015мк сз

1— £2 0,01мк 0,01мк «г мси

31

УТ2 КТ817Г

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

Ял --------1 ни ——'-'••-•'Щ г

6 Г) > 1 г

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

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

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат педагогических наук Вараксина, Екатерина Ивановна, 2009 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

17. ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В СРЕДНЕЙ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

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

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

20. Факультативное занятие по изучению источников упругих волн