МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
13.00.02 - теория и методика обучения и воспитания (физика)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата педагогических наук
ЗАХАРКИН Игорь Анатольевич
Рязань 2009
Работа выполнена на кафедре общей, теоретической физики и методики преподавания физики государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина»
Научный руководитель: доктор педагогических наук, доцент ЕЛЬЦОВ Анатолий Викторович
Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор ПУРЫШЕВА Наталья Сергеевна, Московский педагогический государственный университет
кандидат педагогических наук, доцент АБРОСИМОВ Павел Викторович, Московский государственный открытый университет Рязанский институт (филиал)
Ведущая организация: Липецкий институт развития образования
Защита состоится «______»_____________2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.212.01 по присуждению ученой степени доктора педагогических наук при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» по адресу: 390000,
г. Рязань, ул. Свободы, д. 46, ауд. №5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина.
Автореферат диссертации размещен на сайте университета www.rsu.edu.ru
Автореферат разослан «_____» ______________ 200__ г.
Ученый секретарь диссертационного совета Кирьяков Б.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Одна из важнейших тем, изучаемых в школьном курсе физики, направленная на формирование научного мировоззрения учащихся и подготавливающая их к решению сложных технических и технологических задач, связана с лазерами. Квантовые генераторы света - лазеры созданы в начале шестидесятых годов прошлого столетия. Их уникальные свойства обусловили широкое применение этих приборов в науке, технике и быту. Сегодня без использования лазеров невозможно представить ни одной современной отрасли, лазерные технологии лежат в основе производства современных компьютеров, устройств для чтения и записи CD и DVD дисков, лазерных принтеров, мышек, указок, и многих других устройств, которыми постоянно пользуются учащиеся школ. Высокая степень монохроматичности, когерентности и направленности лазерного излучения позволила создать приборы для диагностики и лечения различных заболеваний, использовать лазер как уникальный современный медицинский инструмент. Для обеспечения обороноспособности нашей родины созданы спутниковые системы связи, разработаны различные системы наведения и автопилоты, работа которых также основана на применении лазеров. Примером использования оптических квантовых генераторов (ОКГ) в промышленности могут служить высокоточные дальномеры, современные аппараты для сварки, резки и термообработки материалов, устройства для производства микросхем. От студенческих лабораторий, до установок управляемого термоядерного синтеза и космических исследований - везде лазеры являются незаменимым рабочим инструментом.
Широкие возможности использования лазеров в различных областях науки, техники и быту обусловили включение этой темы в школьную программу, на изучение которой отводится не более 3 часов. Анализ учебной и методической литературы показал, что предлагаемый материал недостаточен для получения учениками базовых знаний по лазерам, а научно-популярные книги являются неприспособленными для применения в условиях школы из-за большого объема неадаптированных сведений к уровню знаний школьников.
Подробное рассмотрение содержания параграфов, касающихся изучения лазеров в наиболее широко распространенных учебниках по физике для средней школы позволяет сделать вывод о том, что данная тема раскрыта в них не полностью, часть сведений устарела и не обновлялась в течение многих лет. Во всех рассмотренных нами изданиях не представлена такая важная составляющая обучения физике, как эксперимент. Отсутствуют или практически отсутствуют наглядные пособия, лабораторные работы и физический практикум. Все это приводит к тому, что у выпускников школ соответствующие знания и экспериментальные умения оказываются несформированными на требуемом уровне.
В тоже время программа развития системы непрерывного образования в России до 2010 года требует обеспечения преемственности формирования научных знаний и умений, позволяющих применять их в различных областях практической деятельности.
Отбор содержания необходимого учебного материала при изучении лазеров, его структурирование, разработка методов преподавания остается нерешенной задачей в современной профильной средней школе. В сегодняшних социально-экономических условиях развития общества, учебный курс, посвященный проблеме создания лазеров, их устройству и применению в различных сферах деятельности человека позволит наряду с развитием личностных качеств учащихся, их мышления, ценностных ориентаций, значительно расширить их знания и экспериментальные умения, повысить интерес к предмету. Сделать это возможно благодаря использованию при обучении физике новых информационных технологий, компьютерного моделирования, автоматизации физических учебных экспериментов. Большие возможности для изучения данной темы представляют Интернет-ресурсы.
В последнее время, проблеме использования новых информационных технологий в обучении физике посвящено большое число исследований, результаты которых отражены в работах Л.И. Анциферова, А.А. Богуславского, Ю.А. Гороховатского, В.А. Извозчикова, А.С. Кондратьева, А.И. Назарова, А.В. Смирнова, С.В. Степанова, А.И. Фишмана, Р.М. Чудинского и др. Однако вопросы методики использования информационных технологий при изучении оптических квантовых генераторов в средней школе исследованы еще недостаточно.
Таким образом, актуальность проведенного исследования обусловлена противоречием между задачами повышения уровня знаний и экспериментальных умений учащихся, связанных с изучением лазеров в средней школе с одной стороны, и существующей методикой изучения лазеров в средней школе, не позволяющей в полной мере решать эти задачи, с другой стороны.
Объектом исследования процесс обучения физике учащихся средних школ.
Предмет исследования: методика изучения лазеров в школьном курсе физики с применением новых информационных технологий.
В основу работы положена гипотеза исследования, согласно которой повысить уровень знаний учащихся, развить их экспериментальные умения и активизировать познавательный интерес при изучении лазеров удастся если:
- создать адаптированный учебный курс по данной теме для профильных классов средней школы;
- использовать современные компьютерные технологии в рамках данного курса;
Цель исследования состоит в разработке методики изучения лазеров в средней школе с использованием новых информационных технологий.
Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:
1. Проанализировать состояние методики изучения оптических квантовых генераторов в школе и выявить основные трудности в преподавании данного раздела.
2. Осуществить обзор учебного материала по лазерам и разработать содержание учебного курса по данной теме, адаптированного к профильной средней школе, с учетом использования современных средств обучения.
3. Изучить опыт применения новых информационных технологий в обучении физике и определить возможности их использования при изучении оптических квантовых генераторов.
4. Скорректировать методику изучения оптических квантовых генераторов в средней школе с учетом развития личностных качеств учащихся, их мышления, творческих способностей, экспериментальных умений, познавательного интереса.
5. Создать компьютерные демонстрационные слайды и программы, повышающие наглядность статических и динамических картин при изучении лазеров. квантовый генератор преподавание изучение
6. Разработать обучающие и контролирующие компьютерные программы, обеспечивающие учащимся возможность следить за динамикой процессов, происходящих в лазерах и вмешиваться в их ход.
7. Разработать лабораторные работы по изучению свойств лазеров с применением компьютерных технологий, включая лабораторные работы физического практикума, обеспечивающие автоматизацию эксперимента.
8. Проверить гипотезу исследования в ходе педагогического эксперимента.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследования:
- теоретический анализ проблемы на основе изучения научной, учебной, педагогической, психолого-педагогической и учебно-методической литературы.
- изучение и обобщение опыта, накопленного учителями школ при обучении учащихся теме «Лазеры»;
- беседы, опрос, тестирование и анкетирование учащихся и учителей;
- методы экспериментальной физики при изучении лазеров в средней школе;
- методы прикладной математики и информатики при разработке компьютерных программ, слайдов и вспомогательного оборудования для демонстрационных опытов и лабораторных работ по лазерам;
- методы математической статистики.
Основные этапы исследования.
В соответствии с поставленными задачами исследование осуществлялось в течение 5 лет (с 2004 г. по 2009 г.) в несколько этапов.
На этапе констатирующего эксперимента проводился анализ литературы по исследуемой теме, который позволил выявить общие методологические и теоретические основы исследования. Изучалась методика изучения лазеров в школе, обобщался педагогический опыт учителей общеобразовательных школ для определения состояния проблемы и возможности осуществления коррекции данной методики в современных условиях, с использованием новых информационных технологий. Уточнялась комплектность имеющегося в кабинетах физики учебного оборудования.
В ходе поискового эксперимента уточнены задачи исследования, определено содержание учебного материала по изучению оптических квантовых генераторов в средней школе, выявлены пути реализации созданной методики на основе разработанных средств обучения. Созданы необходимые учебно-методические комплекты для проведения учебных демонстраций, лабораторных работ, работ физического практикума, необходимых при изучении лазеров. Отобраны экспериментальные и контрольные классы, разработана методика определения эффективности предлагаемой технологии обучения.
На третьем этапе проводился формирующий эксперимент, в ходе которого определялась эффективность обучения данному материалу на основе применения новых информационных технологий в сочетании с традиционными методами. Уточнялись и корректировались методические рекомендации по использованию материалов исследования в педагогической практике.
Достоверность результатов исследования обеспечиваются:
- использованием реальных физических моделей и современных методов исследования при разработке компьютерных программ;
- использованием стандартных методов статистической обработки результатов
- репрезентативностью выборки участников педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
1. Впервые на основе печатного и электронного методического пособия для профильных классов средней школы разработан учебно-методический комплекс для изучения лазеров.
2. Впервые разработана методика изучения лазеров в профильных классах средней школы, предусматривающая использование различных видов учебных занятий, демонстраций, численного и натурного эксперимента, рефератов, конференций, обеспечивающая строгую последовательность изучения соответствующих тем как при активном участии учителя, так и самостоятельно.
3. Созданы обучающие и контролирующие программы, компьютерные слайды и демонстрационные динамические картины, иллюстрирующие физические принципы работы оптических квантовых генераторов, которые включают в себя программы по изучению понятия инверсной заселенности, трех- и четырехуровневой системы работы лазера, принципов работы лазеров различных типов и др.
4. Разработаны разноуровневые традиционные и автоматизированные лабораторные работы по курсу «Лазеры» для учащихся профильных классов средних школ, включающие в себя следующие темы: лазерная система связи, дифракция через точечное отверстие и одинарную щель, компакт-диск как дифракционная решетка, вольт-амперная характеристика лазерного диода, измерение расходимости лазерного луча.
Теоретическая значимость исследования определяется:
разработкой учебного курса и авторской методики изучения лазеров в средней школе;
применением современных информационных технологий, позволяющих изучать динамику процессов в оптических квантовых генераторах;
возможностью организации исследовательской деятельности учащихся при изучении лазеров.
Практическую значимость исследования имеют:
методические рекомендации при проведении уроков и факультативных занятий по изучению оптических квантовых генераторов;
учебные демонстрации и лабораторные работы, необходимые для формирования соответствующих экспериментальных умений, предусматривающие различные уровни сложности при их выполнении;
работы физического практикума, позволяющие осуществить автоматизацию некоторых наиболее сложных учебных экспериментов, проводимых при изучении лазеров.