|
Данилов О.Е.
ТЕОРИЯ И МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МЕТОДА СКАНИРОВАНИЯ
В УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ
В настоящее время система образования претерпевает существенные
изменения. Возрастает роль информации в жизни общества, что приводит
к повышению требований, предъявляемых к уровню образования.
Хорошее образование, предполагает, что выпускник школы овладел
методологией научного поиска.
В обязательном минимуме содержания основных общеобразовательных программ
указывается, что изучение физики направлено на достижение следующих целей:
овладение учащимися умениями проводить наблюдения, планировать и
выполнять эксперименты, выдвигать
гипотезы и строить модели, устанавливать границы их применимости,
анализировать результаты собственных действий и т. д.
Физические знания нужны для общего образования.
Усиливается их влияние на развитие учащихся и подготовку их к
практической деятельности.
В связи с этим процесс модернизации структуры и содержания учебной физики
нуждается в научном обеспечении.
Значительный вклад в развитие основных направлений дидактики физики
внесли А.И.Бугаев, В.С.Данюшенков, Ю.И.Дик, С.Е.Каменецкий, А.А.Пинский, И.Г.Пустильник,
В.Г.Разумовский, Ю.А.Сауров, А.В.Усова.
Физика является экспериментальной наукой,
поэтому особое внимание при ее изучении необходимо
уделять эксперименту.
Такой подход в обучении соответствует специфике физики:
исследователи наблюдают природные процессы непосредственно, либо
производят эксперимент в искусственно созданных условиях.
Развитию экспериментальных методов изучения физики,
разработке и совершенствованию систем учебных опытов
посвящены труды таких ученых,
как Л.И.Анциферов, Б.С.Зворыкин, О.Ф.Кабардин, В.В.Майер, Н.Я.Молотков,
А.А.Покровский, С.А.Хорошавин, Т.Н.Шамало, Н.М.Шахмаев и др.
Работы этих исследователей дают возможность констатировать
непрерывное совершенствование теории и методики учебного физического
эксперимента.
Повышение эффективности обучения невозможно без
при-менения новейших технических средств обучения.
В последнее время в учебном эксперименте наблюдается тенденция создания
комплектов нового оборудования на базе компьютерной техники,
позволяющих автоматизировать управление экспе-риментом,
и методик применения этих комплектов при обучении физике.
Этому направлению развития учебного эксперимента посвящены
работы Ю.А.Воронина, В.А.Извоз-чикова, В.В.Лаптева и др.
Как правило, компьютерные измерения осущест-вляются с помощью
датчиков физических величин. Перемещая датчик в пространстве, можно
визуализировать распределение измеряемой физической величины с помощью
показывающего устройства, функции которого может выполнять компьютер.
В результате изучения физики у учащихся должны быть
сформированы такие важные понятия, как физическая величина
и физическое поле. Изучение содержания современных учебных программ по физике
и школьных учебников показывает, что значительная часть учебного материала
отводится на изучение волновых полей.
В диссертационном исследовании Е.С.Агафоновой
показано, что из существующих методов
визуализации волновых полей наибольшей универсальностью обладает метод
сканирования. Поэтому совершенствование учебного физического эксперимента
по волновой физике, позволяющего визуализировать физические закономерности
посредством компьютерной техники, используя метод сканирования,
является актуальным. К сожалению, в настоящее время учителя физики
испытывают существенные трудности
при постановке опытов с компьютером и применяют их чаще всего
бессистемно и эпизодически.
Анализ новых государственных стандартов школьного образования,
обязательного минимума содержания основных общеобразовательных программ,
научно-методической литературы,
практики работы общеобразовательных
и высших учебных заведений позволяет сделать вывод о наличии
следующих противоречий:
1) между необходимостью введения в учебный процесс по физике
нового учебного эксперимента со сканированием на базе
современных компьютерных технологий и неподготовленностью
школьного учителя физики к использованию этого эксперимента;
2) между возможностями автоматизации учебного физического
эксперимента по волновой физике посредством использования компьютерного
сканирования и недостаточной разработанностью теории и методики
его применения в процессе обучения физике.
Актуальность данного исследования обусловлена
требованиями Государственного стандарта основного общего
образования по физике по развитию
интеллектуальных и творческих способностей учащихся при
выполнении экспериментальных исследований с использованием информационных
технологий, возрастанием роли компьютерных технологий при обучении и
необходимостью совершенствования методов и средств обучения на основе
этих технологий;
необходимостью применения метода компьютерного сканирования в учебном
физическом эксперименте, разработки теории и методики его применения;
совершенствованием средств обучения, направленных на формирование у
учащихся наглядных образов распределений амплитуды и интенсивности
волны и знаний о современных научных методах исследования
физических полей на примере изучения волновых полей методом компьютерного
сканирования.
Объект исследования - учебный физический эксперимент в
современной системе физического образования.
Предмет исследования - содержание и методы учебного
физического эксперимента для изучения волновых полей в курсах физики
средней общеобразовательной и высшей педагогической школы.
Цель исследования - совершенствование учебного физического
эксперимента для изучения волновых полей путем применения метода
сканирования, реализованного посредством компьютерной техники.
Гипотеза исследования: Если разработать простой и доступный
для воспроизведения в школьных условиях компьютерный сканер волновых
полей, то будет обеспечена возможность совершенствования учебного
эксперимента по изучению волн разной природы, что позволит организовать
более эффективную деятельность учителя и ученика по изучению волновых
явлений, в результате которой:
1) будущий учитель физики приобретет умения сборки компьютерного
сканера, разработки программного обеспечения, выполнения количественных
экспериментов по исследованию волновых полей и освоит учебную теорию,
объясняющую результаты учебных опытов;
2) учитель физики в демонстрационных экспериментах познакомит учащихся
с физическими явлениями, изучавшимися ранее лишь на умозрительном
уровне;
3) учащиеся при выполнении лабораторных работ физического практикума
повысят уровень познавательной мотивации, приобретут исследовательские
умения и новые физические знания.
Основные задачи исследования состоят в следующем:
Изучить методологические основы учебного физического
эксперимента и определить основные тенденции его развития.
Провести анализ теоретического и экспериментального изучения
физических полей в современной системе физического образования.
Изучить и проанализировать использование метода сканирования
в учебном физическом эксперименте при обучении физике в
общеобразовательной и высшей школе.
Разработать и изготовить учебную экспериментальную установку
для компьютерного сканирования волновых полей, обеспечивающую постановку
демонстрационных и лабораторных экспериментов, удовлетворяющую
дидактическим требованиям к учебной экспериментальной технике.
Разработать дидактические принципы и на их основе создать
программный продукт, обеспечивающий выполнение учебных экспериментов
посредством компьютерного сканера.
Разработать методику и технику постановки учебных экспериментов
по исследованию волновых полей, реализующие метод компьютерного сканирования.
Провести педагогический эксперимент с целью обоснования
справедливости гипотезы исследования.
В настоящей работе применялись следующие методы исследования.
Теоретические: изучение и анализ научной, методической и
специальной литературы по рассматриваемой проблеме;
анализ обязательного минимума содержания физического
образования, примерных программ курсов физики, требований к уровню
подготовки выпускников школ;
изучение и анализ практики работы общеобразовательных школ и
педагогических вузов по исследуемой проблеме.
Экспериментальные: практическое моделирование процесса формирования наглядных
образов распределений физических величин при изучении волновых полей
в школе и педагогическом вузе; опытно-конструкторская работа по созданию
новых учебных приборов и экспериментальных установок;
педагогический эксперимент с учащимися школы, школьными учителями
физики, студентами педагогического вуза, вузовскими преподавателями
физических дисциплин (наблюдение, беседа, анкетирование,
метод экспертных оценок экспериментальных установок и опытов);
статистические методы обработки и качественный анализ
результатов исследования.
Научная новизна исследования заключается в том, что теоретически
и экспериментально обоснована необходимость и возможность совершенствования
учебного физического эксперимента в общеобразовательной и высшей школе
посредством использования метода компьютерного сканирования волновых полей,
изучаемых в курсе физики.
Теоретическая значимость.
Предложена общая концепция метода сканирования в учебном
физическом эксперименте, включающая содержательный, методический и
процессуальный блоки. Указаны проблемы, решение которых
откроет новые возможности совершенствования учебного эксперимента
по термодинамике, электродинамике и оптике.
Определены дидактические принципы построения и конструктивные
особенности компьютерного сканера для изучения волновых полей,
дидактические принципы соответствующего базового программного обеспечения.
Практическая значимость.
Создан комплект приборов для компьютерного сканирования
звуковых и электромагнитных полей сантиметрового диапазона
для проведения учебных опытов по распространению, отражению, интерференции и дифракции волн.
Разработаны содержание и методика применения
учебных исследовательских заданий при изучении волновых
полей на основе метода компьютерного
сканирования в школьном курсе физики и курсе общей физики
педагогического вуза. Выявлены оптимальные условия проведения учебных
экспериментальных исследований звуковых полей методом
компьютерного сканирования.
Предложены опыты, расширяющие и углубляющие содержание учебного
физического эксперимента по волновой физике, разработана методика
и техника их постановки.
Разработано открытое программное обеспечение
компьютерного сканера на алгоритмическом языке, широко
распространенном в системе образования и доступном учащимся.
Методология и теория исследования базируются на концепциях
формирования физических понятий (А.В.Усова, Т.Н.Шамало),
научного познания при обучении физике (В.Г.Разумовский,
И.Г.Пустильник),
описания и проектирования практики обучения физике (Ю.А.Сауров),
учебной физики и научного познания в дидактике физики (В.В.Майер),
формирования системы эмпирических знаний по физике (Р.В.Майер).
Достоверность и обоснованность результатов исследования
обеспе-чиваются соответствием полученных результатов
теоретическим положе-ниям дидактики физики и подтвер-ждаются
статистически значимыми результатами педагогического
экспе-римента.
Результаты диссертационного исследования были представлены в
докладах и материалах
III, IX, X Всероссийских научно-практических конференций
"Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы.
Современные решения" (Глазов, 1998, 2004, 2005),
научно-практической конференции
"Практика обучения физике как творчество" (Киров, 1998),
Всероссийской научно-практической
конференции "Актуальные проблемы прикладной физики и методики
преподавания физики в вузе и школе" (Борисоглебск, 2005) и
Международной научно-практической
конференции "Повышение эффективности подготовки учителей физики
и информатики" (Екатеринбург, 2005).
Основные результаты исследования представлены в 12 публикациях автора.
Апробация, внедрение и обсуждение
результатов исследования осуществлялись в
общеобразовательных школах МОУ СОШ № 8 и МОУ СОШ № 15 г. Глазова,
на семинарах методического объединения учителей физики г. Глазова,
на физическом факультете ГОУ ВПО "Глазовский государственный
педагогический институт имени В.Г.Короленко"
и в рамках X научно-практической конференции
"Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы.
Современные решения".
На защиту выносятся следующие положения:
Метод сканирования применяется в современной учебной физике
и может выступать как общий метод экспериментального исследования
физических полей различной природы.
Разработанная и изготовленная учебная экспериментальная установка
для компьютерного сканирования волновых полей обеспечивает постановку
демонстрационных и лабораторных экспериментов и удовлетворяет
дидактическим требованиям к учебной экспериментальной технике.
Предлагаемые дидактические принципы позволяют на их основе создать
программный продукт, обеспечивающий выполнение учебных экспериментов
посредством компьютерного сканера.
Разработанные методика и техника постановки учебных экспериментов
по исследованию волновых полей позволяют реализовать метод компьютерного
сканирования в учебном процессе по физике.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения,
списка литературы (200 источников, в том числе 5 иностранных)
и приложения. Общий объем диссертации 207 страниц; она содержит
71 рисунок и 23 таблицы.
Во введении обосновывается актуальность исследования,
определяются объект, предмет и цель исследования,
выдвигается гипотеза, формулируются задачи исследования,
перечисляются методы исследования,
раскрываются научная новизна и практическая значимость,
приводятся положения, выносимые на защиту.
В первой главе "Теоретические основы использования метода
сканирования в учебном процессе"
дается теоретическое обоснование возможности и целесообразности
использования метода компьютерного сканирования волновых полей в учебном
физическом эксперименте.
С этой целью в первом параграфе
"Методологические основы учебного физического
эксперимента" рассматриваются методологические основы, средства,
методы и формы учебного физического эксперимента, а также возможность
применения в этом эксперименте компьютерных технологий.
Процесс образования должен осуществляться с учетом принципа
политехнизма. К главным задачам такого обучения в настоящее время
относится ознакомление учащихся с главными направлениями
научно-технического
прогресса и физическими основами функционирования технических устройств.
Кроме этой задачи сюда можно отнести развитие творческих
технических способностей, мотивацию и активизацию познавательной
деятельности учащихся, формирование их мировоззрения.
На современном этапе существует противоречие между
новыми образовательными задачами и некоторыми
традиционными технологиями обучения. Поэтому возникает
проблема определения нового содержания учебного эксперимента и
создания технологий обучения физике, соответствующих новой концепции
образования (образовательному стандарту).
Учебный физический эксперимент должен демонстрировать связь
физики и техники, учитывать основные направления научно-технического
прогресса. Современные учебные экспериментальные установки
должны предоставить возможность постановки экспериментов, которые до этого
считались трудоемкими (требующими больших затрат времени на постановку или
на обработку результатов эксперимента).
К дидактическим принципам конструирования
курса физики относится принцип наглядности, который на современном
этапе претерпевает некоторые изменения, связанные с изменением
понимания наглядности в методологии науки.
Изучаются явления и объекты, недоступные непосредственному
наблюдению. Для передачи информации о них создаются системы,
ориентированные на передачу информации в зрительно-наглядной форме.
Следовательно, такие новые эксперименты должны входить в содержание
учебного физического эксперимента. Возможна и новая реализация
принципа генерализации (отбора содержания учебного физического эксперимента
и его структурирования, предполагающего выделение одной основной
идеи экспериментального изучения учебного материала).
Одно из основных направлений
использования компьютера при обучении физике - его работа в соединении
с экспериментальными установками. В этом случае он может выполнять
две задачи: фиксировать экспериментальные данные и автоматизировать
управление экспе-риментом.
Компьютерная установка избавит (если это необходимо,
например, при демонстрациях) от большого числа однообразных измерительных
операций, позволит обеспечить визуализацию результатов
экспериментального исследования в реальном времени, автоматизацию и
высокую точность математических вычислений,
сохранение результатов на электронном носителе информации.
Целесообразно использовать компьютер
и по той причине, что сам он представляет безусловный интерес для
учащихся, особенно в том случае, когда он применяется в сочетании
с другой экспериментальной техникой.
Таким образом, использование компьютера в составе экспериментальной установки
при обучении физике, наряду с компьютерным
моделированием физических явлений, представляется нам наиболее
оправданным и перспективным. Поэтому представляется реальным введение
в процесс обучения физике принципиально нового учебного
физического эксперимента,
позволяющего визуализировать физические закономерности на экране,
используя датчики физических величин, подключенные к компьютеру.
Отбор соответствующего содержания учебного физического эксперимента
и его структурирование можно осуществить, опираясь на
идею экспериментального изучения учебного материала с использованием
метода сканирования.
Во втором параграфе "Методы теоретического и экспериментального изучения
физических полей в современной системе физического образования"
анализируются содержание и методика теоретического
и экспериментального изучения физических полей.
Обосновывается необходимость рассмотрения наряду с
гравитационным, электрическим и магнитным полями волнового поля с целью
формирования обобщенного понятия физического поля. Отмечается, что
эффективное формирование понятия волнового поля возможно при опоре
на учебный эксперимент с использованием метода сканирования.
По современным представлениям область пространства, в каждой
точке которой существует определенная физическая величина,
называется физическим полем этой величины.
Это довольно абстрактное пред-ставление и должно в конечном итоге
быть сформировано у учащихся. Однако физическое понимание требует,
чтобы помимо определения, учащиеся были твердо убеждены в реальном
существовании физических полей. Такая убежденность возникает только
на основе доказательного учебного эксперимента.
Формирова-ние понятия поля окажется более эффективным
и полным, если в школьном курсе физики помимо привычных учителю полей
рассматривать и другие физические поля - волновые
(в первую очередь, звуковые и электромагнитные сантиметрового диапазона).
Выбор этих полей обусловлен доступностью необходимого для
их экспериментального исследования учебного оборудования и
возможностью создания требуемых условий учебного эксперимента.
Экспериментальное доказательство реальности этих полей
должно осуществляться методом визуализации.
Анализ современной техники учебного физического эксперимента приводит
к заключению, что для решения проблемы визуализации физических полей
необходимо использовать компьютер с устройством сопряжения и
соответствующими датчиками физических величин.
Общая схема электронного измерительного прибора
включает датчик, усилитель сигнала с датчика, преобразователь сигнала,
показывающее устройство. Только устройство датчика
может зависеть от измеряемой величины. Все остальные элементы прибора
могут быть пригодны для любых измерений, обеспечивая многофункциональность.
Возможна многоканальность, позволяющая измерять сразу несколько величин
(например, координату и физическую величину, являющуюся ее функцией).
В третьем параграфе "Метод сканирования и его применение в учебном
физическом эксперименте" рассмотрено применение метода сканирования,
предложены дидактическая модель формирования понятия метода сканирования
и общая концепция метода в современном учебном
физическом эксперименте.
Сканированием в учебном физическом эксперименте мы называем
метод поточечного исследования физического поля, в результате
которого получается визуализированное изображение определенной
области поля или графическое изображение зависимости характеризующей
поле физической величины от координат точек этой области.
В этой работе мы ограничиваемся распределением,
которое является функцией одной пространственной переменной,
так как более сложные виды (плоское и трехмерное) также могут быть
получены с помощью этого распределения.
В учебном физическом эксперименте
для изучения звуковых и электромагнитных полей реали-зован
самый распространенный
прием - сканирование исследуемого поля миниатюрным приемником,
напряжение на выходе которого модулирует яркость перемещаемого
синхронно с ним точечного источника света.
Для визуализации этих полей в Глазовском педагогическом
институте были разработаны специальные сканирующие индикаторы.
Повышение дидактической ценности опытов с
волновыми полями возможно при использовании компьютера для сбора
экспериментальных данных, их последующей обработки и выведения
цифровой или графической информации на экран.
Вторая глава "Современная реализация метода
сканирования в учебном физическом эксперименте" посвящена решению
следующей задачи. Метод качественного сканирования обеспечивает
эффективное формирование обобщенного понятия волнового
поля. Мы предположили, что количественное сканирование
с использованием компьютерных технологий,
при котором получаются графики распределений физических величин,
характеризующих волновое поле, позволит углубить знания учащихся,
сформирует в их сознании устойчивый образ соответствующих физических
явлений, будет способствовать развитию их исследовательских умений.
Чтобы обосновать эту гипотезу, необходимо создать и проверить в условиях
реального учебного процесса компьютерный сканер волновых полей.
В первом параграфе
"Использование компьютерных технологий при реализации
метода сканирования" описаны разработанные нами учебные экспериментальные
установки для сканирования полей звуковых и электромагнитных волн с
компьютерной обработкой получающихся результатов.
Первый вариант эксперименталь-ной установки предполагает
наличие источника 1 физического поля, приемника 2,
усилителя 3 сигнала приемника, аналого-цифрового прео-бразователя 4 (АЦП),
IBM-совмес-тимого компьютера 5, программного обеспечения 6,
датчика 7 положения приемника.
Экспериментальное исследование показывает, что
наиболее простой датчик положения - потенциометрический - дает
сигнал с помехой, не позволяющей получить достаточно качественные
результаты сканирования. Во втором варианте специальный датчик положения
отсутствует, а координата датчика физической величины определяется
фиксацией мышью отчета по линейной шкале или временем его равномерного
движения из начального положения.
Вся установка вместе с дополнительным
оборудованием помещается на стандартном демонстрационном или
лабораторном столе.
В процессе исследования мы убедились, что внедрение метода компьютерного
сканирования в учебный процесс средней школы возможно лишь при условии,
что этим методом овладеет новое поколение учителей. Эту мысль подтверждает
известное положение, что подав-ляющее большинство учителей физики не
используют на уроках компьютерные технологии, несмотря на наличие всех
возможностей для такого использования: учителя просто не умеют пользоваться
компьютером. Отсюда следует необходимость обучения студентов педагогических
вузов современным компьютерным технологиям учебного физического эксперимента.
Такое обучение наиболее эффективно в рамках учебно-исследовательской
деятельности студентов. Именно поэтому мы уделили основное внимание
содержанию этой деятельности.
Во втором параграфе "Программное обеспечение и градуировка сканера"
изложены принципы построения программного обеспечения компьютерного
сканера и приведены конкретные программы, реализующие изложенные
принципы. В этом же параграфе описаны
технология градуировки компьютерного сканера и предназначенное для
этих целей программное обеспечение.
В третьем параграфе "Применение метода сканирования в учебном физическом эксперименте"
рассмат-ривается применение метода компьютерного
сканирования волно-вых полей в учебном эксперименте. При этом вначале
выделена система учебных опытов, в которых целе-сообразно использование
метода компьютерного сканирования. Затем кратко рассмотрены особенности
применения этого метода в демонстрационном и индивидуаль-ном эксперименте.
И, наконец, приведено содержание учебных исследований волновых полей
методом компьютерного сканиро-вания, включающее учебную теорию, учебный
эксперимент и исследовательские задания. Такая структура параграфа
обусловлена необходимостью дать достаточно полное представление о
предлагаемой медернизации учебного эксперимента за счет внедрения
метода компьютерного сканирования.
Учитывая требования стандарта и систему опытов по изучению
волновых полей, предложенную Е.С.Агафоновой, мы пришли к выводу,
что при демонстрациях свойств звуковых и электромагнитных волновых
полей в школе можно использовать одну и ту же серию опытов:
1) поле одного источника волн;
2) интерференция от двух источников волн;
3) стоячая волна;
4) дифракция волны на круглом отверстии;
5) дифракция волны на круглом диске.
При реализации компьютерного сканирования в индивидуальном
(лабораторном) эксперименте сле-дует предложить такую методику
проведения измерений обучаемыми, чтобы у них сложилось четкое
представление о физическом поле как пространственном распределении
физической величины. Для этого необходима строгая фиксация датчика
физической величины в некоторой точке пространства (в нашем случае -
точке прямой) и измерение в ней данной физической величины с
последующим выве-дением ее значения на экран компьютера.
Третья глава "Педагогический эксперимент и его результаты"
содержит описание методов и результатов проведения системы
педагогических исследований
по доказательству эффективности предлагаемого нового учебного
физического эксперимента и методики его использования при обучении
физике. Педагогический эксперимент содержит
констатирующий, обучающий, поисковый и контролирующий компоненты.
Количественные результаты эксперимента обработаны общепринятыми
в педагогических исследованиях методами математической статистики.
В первом параграфе "Планирование педагогического эксперимента"
рассмотрены гипотеза, цели и задачи
педагогического эксперимента, кратко изложена теория математических
методов обработки статистических данных.
Основные положения гипотезы педагогического эксперимента:
1) предлагаемая компьютерная установка, обеспечивающая учебный
физический эксперимент по волновой физике,
доступна для использования в школе и вузе, частично или полностью
может быть изготовлена учителем физики;
2) предлагаемые экспериментальная установка и методика ее использования
повышают интерес учащихся к изучению волновых полей и стимулируют
их познавательную активность;
3) новый учебный физический эксперимент
знакомит учащихся с современными методами экспериментальных
исследований, формирует наглядный образ изучаемых объектов
(картин распределений амплитуды звуковой волны вдоль
прямой), способствует устойчивому запоминанию изучаемых явлений;
4) усвоение учащимися различных видов распределений
физических величин вдоль прямой будет более
успешным (более глубоким), потребует меньше времени при использовании
компьютерной установки для сканирования физических полей;
5) овладение новой методикой повышает квалификацию учителя, способствует
устранению формализма в преподавании физики.
Во втором параграфе "Доступность предлагаемых экспериментальных установок"
проведен анализ интеллектуальной, временной
и материальной доступности предлагаемых учебных
установок, представлено описание процедуры проверки
опытов с компьютерным сканированием на соответствие дидактическим
требованиям к учебному эксперименту, осуществлена оценка
учебности метода компьютерного сканирования.
Важным и актуальным в современных условиях является внедрение приборов,
которые учитель физики конструирует самостоятельно, учитывая
необходимое для этого время, доступность материалов, свои технические
возможности, умения и навыки. Поэтому нами
выяснена степень доступности предлагаемого нами оборудования
преподавателю физики, исходя из его интеллектуальных,
материальных и временных возможностей.
В рамках данного диссертационного исследования
осуществлялось руководство курсовыми работами по физике
и методике преподавания физики студентов
3 и 4 курсов физического факультета ГОУ ВПО "Глазовский государственный
педагогический институт имени В.Г.Короленко", связанными с возможностью
применения компьютерного сканера волновых полей в учебном процессе.
Результаты, показанные студентами, подтверждают принципиальную
возможность изготовления ими элементов (усилителя и АЦП)
компьютерного сканера по готовым инструкциям и схемам,
даже если они изначально не знакомы с технологией изготовления
и не имеют хороших навыков схемотехнического конструирования.
Непосредственное изготовление этих частей сканера занимает
не более 5-6 часов, включая время на подготовку рабочего места
и деталей для сборки. Отметим, что все используемые
радиоэлектронные элементы экспериментальной сканирующей установки
можно приобрести в обычном магазине радиотоваров.
Следовательно, можно сделать вывод, что изготовление
сканера волновых полей доступно школьному учителю физики, а
тем более преподавателю вуза. Результаты эксперимента также
доказывают возможность изготовления сканера соответствующим
образом подготовленными учащимися под руководством преподавателя.
Не менее важно и доказательство необходимости ввода компьютерного
сканера в учебный эксперимент. Для этого проведен
анализ аналогичного оборудования, выполняющего
те же или похожие функции в учебном эксперименте, которое уже
ис-пользуется в учебных заведениях.
Проведено сравнение предлагаемого нами оборудования
(установка 4) с уже существующей
техникой - тремя учебными экспериментальными уста-новками для исследования
волновых полей.
Приведем списки основного оборудования, входящего в состав этих
учебных экспериментальных уста-новок. Установка 1:
1) звуковой гене-ратор, 2) два динамика, 3) микрофон,
4) УНЧ, 5) демонстрационный гальванометр, 6) линейка.
Установка 2: 1) источник питания, 2) генератор СВЧ c излучающей
рупорной антенной, 3) приемная рупорная антенна с детектором,
4) УНЧ, 5) динамик, 6) демонстрационный гальванометр, 7) линейка.
Установка 3: 1) звуковой генератор, 2) два динамика,
3) источник питания, 4) генератор СВЧ с двумя типами излучающих антенн,
5) два типа сканирующих индикаторов, 6) УНЧ, 7) линейка.
Сравнительный анализ проводился на основе проверки соответствия экспериментов
на базе данного оборудования традиционным дидактическим требованиям к
учебному эксперименту методом экспертных оценок.
В состав экспертной комиссии вошли 2 доктора педагогических
наук, 2 кандидата физико-математических
наук, 9 кандидатов педагогических наук, 24 специалиста с высшим
педагогическим образованием по специальности "Учитель физики".
Экспертиза проводилась в рамках X Всероссийской научно-практической
конференции "Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы.
Современные решения" (Глазов, 2005) и на семинарах методического
объединения учителей физики г.Глазова.
В число экспертов вошли исследователи в области дидактики физики
и преподаватели физики из Глазова, Екатеринбурга, Кирова, Москвы,
Нижнего Новгорода и Санкт-Петербурга.
Все эксперты обладают хорошими знаниями в области
учебного эксперимента по волновой физике.
Для проведения экспертизы были разработаны критерии, позволяющие
оценить соответствие эксперимента на данном типе оборудования
дидактическим требованиям к учебному эксперименту по шкале 0-0,5-1:
0 - эксперимент на данном оборудовании не соответствует
требованию, 0,5 - эксперимент частично соответствует требованию,
1 - эксперимент полностью удовлетворяет требованию.
Математическая обработка результатов экспертизы заключалась в
вычислении групповых экспертных оценок методом среднего
арифметического и вычислении коэффициентов корреляции
оценок двух экспертов.
Результаты экспертизы представлены в виде диаграммы.
Наименьшее значение рассчитанных коэффициентов корреляции
оценок экспертов равно 0,56, что говорит о хорошей
согласованности всех 37 экспертов.
Считалось, если средняя оценка экспертов больше 0,67,
то итоговая оценка равна 1, если средняя оценка меньше 0,33,
итоговая равна 0. В случае, когда средняя оценка экспертов находится
в интервале от 0,33 до 0,67, итоговая оценка
равна 0,5.
Видно, что, по мнению независимых экспертов,
эксперименты с установкой 4 полностью соответствуют представленным
в таблице дидактическим требованиям в отличие от установок 1, 2, 3.
В третьем параграфе "Проведение и итоги обучающего педагогического эксперимента"
описаны условия проведения педагогического
эксперимента со школьниками и студентами педагогического
института и представлены его результаты.
Эксперимент проводился с учащимися 10-11 классов МОУ СОШ № 8 и
МОУ СОШ № 15 г. Глазова и студентами
2 и 5 курсов физического факультета ГОУ ВПО "Глазовский
государственный педагогический институт имени В.Г.Короленко"
с целью оценки эффективности методики использования метода
компьютерного сканирования. Педагогический эксперимент предполагал
предварительные демонстрации учащимся экспериментов по интерференции
звука (школьники) и выполнение учащимися лабораторных
экспериментов по интерференции, дифракции звуковых волн (студенты) и
тестирование, следующее за экспериментом. Проведение экспериментов
по дифракции звука со школьниками не планировалось.
В анкетах обучаемые должны были воспроизвести графики шести распределений,
учитывая изменяющиеся условия эксперимента.
Количественная оценка степени усвоения данного вида распределения
амплитуды (интенсивности) осуществлялась по двухбальной шкале 0-1.
Оценка 0 ставилась в случае, если учащийся не выполнил задание
или выполнил его неправильно. Правильному выполнению задания
соответствовала оценка 1.
При тестировании школьников проведено 1098 измерений. Частота
правильных ответов равна 761/1098=0,693. Применяя метод доверительных
интервалов, с 95%-й точностью можно утверждать, что
коэффициент сформированности образов распределений у учащихся
находится в интервале от 0,666 до 0,720.
Выбирая ту же вероятность, получаем в случае со студентами
(432 измерения) коэффициент сформированности для опытов по интерференции:
(0,821; 0,887); опытов по дифракции: (0,572; 0,664).
Более низкие оценки ответов студентов при тестировании их
знаний по дифракции связаны, на наш взгляд, с объективными причинами.
Во-первых, картина пространственного распределения амплитуды
звуковой волны при дифракции значительно сложнее картины ее
распределения при интерференции от двух точечных источников волн.
Во-вторых, сложнее и учебная теория дифракции в сравнении
с теорией интерференции от двух точечных источников.
Именно по этим причинам этот эксперимент со школьниками не
проводился.
Результаты обучающего педагогического эксперимента со школьниками и
студентами позволяют сделать вывод о том, что эффективность предлагаемой
нами методики применения метода компьютерного сканирования
при исследовании звуковых волн достаточно высока. Следовательно,
сам метод и реализованные на его основе эксперименты можно
рекомендовать для использования в процессе обучения физике.
В ходе диссертационного исследования в общей сложности было
проведено 5 различных педагогических экспериментов констатирующего,
поискового и обучающего характера, охвативших 76 студентов,
183 школьника, 26 учителей физики общеобразовательных
школ и 13 преподавателей вузов.
В результате проведения диссертационного исследования
были решены все поставленные задачи,
достигнута цель, подтверждена гипотеза исследования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненное исследование позволяет сделать следующие выводы:
1. Внедрение метода компьютерного сканирования в учебный
физический эксперимент целесообразно проводить при изучении
двух типов волновых полей: звуковых и электромагнитных
волн сантиметрового диапазона. Это способствует созданию
условий надежности и точности учебных экспериментов со звуковыми
и электромагнитными полями; улучшению наглядности физических
закономерностей, свойственных волновым полям;
получению количественной оценки характеристик волновых полей;
формированию знаний учащихся о современных научных методах
исследования физических полей с применением компьютерных
технологий. Новый учебный эксперимент с компьютерным сканером
соответствует требованиям современных стандартов и программ
по физике, учитывает тенденции развития системы учебного оборудования.
Знакомство учащихся с методом сканирования необходимо
начинать при изучении звуковых полей.
В экспериментальных исследованиях свойств звуковых и электромагнитных волновых
полей методом компьютерного сканирования необходимо использовать одну и
ту же серию опытов:
1) поле одного источника волн;
2) интерференция от двух когерентных источников волн;
3) стоячая волна;
4) дифракция волны на круглом отверстии;
5) дифракция волны на круглом диске.
Таким образом, с помощью сканирования можно изучать различные волновые поля
и продемонстрировать общность волновых явлений на
одной экспериментальной установке.
2. Компьютерный сканер для учебных исследований состоит
из источника волнового поля (возбудителя и собственно
источника поля); датчика измеряемой физической величины,
характеризующей поле в данной точке пространства;
усилителя сигнала датчика; аналого-цифрового преобразователя;
IBM-совместимого компьютера; программного обеспечения.
Предлагаемая компьютерная экспериментальная установка, обеспечивающая учебный
физический эксперимент по волновой физике,
доступна для использования в школе и вузе, частично или полностью
может быть изготовлена учащимися под руководством школьного учителя физики
или студентами под руководством преподавателя вуза. Опыты
с ней соответствуют дидактическим требованиям к учебному физическому
эксперименту, что подтверждает опрос независимых экспертов.
3. При демонстрациях с компьютерным сканером
учебный материал при изучении физических полей
можно построить на основе сопоставления
каждой точке пространства некоторого значения физической величины.
Предлагаемая методика использования нового учебного физического эксперимента
со сканированием формирует у учащихся
наглядные образы картин распределений физических
величины вдоль прямой и способствует устойчивому запоминанию изучаемых явлений,
что подтверждается результатами обучающего педагогического эксперимента.
Овладение методикой повышает квалификацию учителя, способствует
устранению формализма в его знаниях и преподавании физики.
Возможно и целесообразно проведение
индивидуального эксперимента по сканированию волновых полей.
|
