Для изучения лазеров с конкретными активными средами нами переработан комплект моделирующих программ "Visual Quantum Mechanics", которые включают в себя модели рубинового, гелий-неонового и полупроводникового лазеров.
Предложена программа для изучения гелий-неонового лазера (рис. 4)
Данная программа позволяет:
Рассмотреть общий вид гелий-неонового лазера (вид слева).
Установить на энергетической диаграмме энергетические уровни атомов.
Перемещать уровни энергии в нужное положение.
Изменять с помощью горизонтального движка расположенного в левом углу экрана, значение энергии, необходимой для достижения лазерного излучения.
После того, как установлены энергетические уровни и задано значение энергии, нажатием кнопки «Turn on pumping power» лазер приводится в действие и на экране можно наблюдать лазерное излучение.
Лазерная трубка, представленная в левой части рисунка заполняется смесью гелия и неона в соотношении 7:1 с общим давлением порядка 102 Па, при котором возбуждается постоянный электрический разряд. Рабочим веществом лазера является неон. Гелий используется для избирательного заселения верхнего рабочего уровня неона. Атомы гелия возбуждаются при столкновениях с разогнанными в электрическом поле разряда электронами. Передача энергии от возбуждённых атомов гелия к атомам неона осуществляется при столкновениях 2 рода между ними. Наиболее эффективно передача энергии от атома к атому происходит в случае резонанса, когда энергия уровней, между которыми происходит взаимодействие, близки. Упрощённая схема энергетических уровней атомов гелия и неона изображена в правой части рис. 4.
Рис. 4 Программа для изучения гелий-неонового лазера
Из него видно, что энергии двух уровней атома гелия действительно близки к двум уровням неона, что приводит к эффективной передаче энергии от гелия к неону. На этом рисунке изображена лишь малая часть энергетических уровней неона и гелия, в действительности их гораздо больше и все они в той или иной степени заселяются в электрическом разряде. На рисунке пунктиром изображены три основных лазерных перехода с длинами волн; 0,63мкм (красное излучение), 1,15мкм и 3,39 мкм (невидимое инфракрасное).
Предложена программа для изучения получивших самое широкое применение и имеющих самые высокие по КПД (до 40%), массогабаритным показателям, объему выпуска и перспективам дальнейшего развития и применения лазерам на основе таких полупроводниковых материалов, как GaAs и другие (рис. 5).
Рис. 5 Программа для изучения полупроводникового лазера
Данная программа позволяет:
Рассмотреть общий вид полупроводникового лазера (вид слева).
Установить на энергетической диаграмме энергетические уровни в p- и n- областях.
Перемещать уровни энергии в нужное положение.
Изменять значение энергии.
После того, как установлены энергетические уровни и задано значение энергии накачки, на экране можно наблюдать лазерное излучение.
Согласно квантовой теории электроны в полупроводнике могут занимать две широкие энергетические полосы: нижняя представляет собой так называемую валентную зону, верхняя - зону проводимости. В нормальном чистом полупроводнике при низкой температуре все электроны связаны и занимают энергетический уровень, расположенный в пределах валентной зоны. Если на этот полупроводник воздействовать электрическими или световыми импульсами, то часть электронов переходит в зону проводимости. В результате их перехода в валентной зоне окажутся свободные места, которые в физике называются «дырками». Эти «дырки» играют роль положительного заряда. В данном случае происходит перераспределение электронов между энергетическими уровнями валентной зоны и зоны проводимости и поэтому можно, в известном смысле, говорить о перезаселенности верхней энергетической зоны. В большинстве полупроводниковых соединений, например арсениде галлия, в результате обратного перехода электронов из зоны проводимости с более высокого уровня в валентную зону и их соединения с «дырками», т. е. при рекомбинации разноименных носителей заряда, происходит излучение фотонов. Энергия фотонов зависит во многом от ширины запрещенной зоны, управлять размерами которой научились в последние годы. Это привело к расширению диапазона излучения полупроводниковых лазеров от ближнего ИК, красного, зеленого до синего цвета и созданию на основе этих приборов лазерных видеопанелей.
Изучение разработанного для профильной школы курса по лазерам дополнено нами созданием простых лабораторных работ: лазерная система связи, дифракция через точечное отверстие и одинарную щель, компакт-диск как дифракционная решетка, вольт-амперная характеристика лазерного диода, измерение расходимости лазерного луча.
Выполнение лабораторных работ в профильных классах средней школы нами предлагается на основе индивидуального рабочего места учащегося, созданного на кафедре общей и теоретической физики и МПФ РГУ имени С.А. Есенина, с использованием разработанного совместно с предприятием "Синергия" лабораторно-учебного комплекса "Лук-1", обеспечивающих возможность автоматизации проводимых экспериментов.
В третьей главе «Организация и проведение педагогического эксперимента» диссертации дана общая характеристика этапов эксперимента (констатирующего поискового, и формирующего), приведены задачи каждого этапа, описаны используемые методы и результаты.
Эксперимент осуществлялся в период с 2004 по 2008 гг. в 28 школах города Рязани и Рязанской области, а также на базе кафедры общей, теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета имени С.А. Есенина. Эксперимент проводился как лично соискателем, так и силами учителей, аспирантов и студентов. Цель эксперимента заключалась в проверке справедливости гипотезы исследования.
В ходе констатирующего этапа эксперимента были определены противоречия, которые определили тему исследования, ее актуальность и главные направления работы. Основной целью этого этапа являлось выяснение положительных и отрицательных сторон традиционной методики изучения лазеров в средней школе. На этом же этапе рассматривалось существующее традиционное и современное учебное оборудование, исследовались возможности использования современных компьютерных технологий в учебном эксперименте. На основе бесед, наблюдений, анкетирования, анализа успеваемости, выявлены проблемы, связанные с необходимостью совершенствования методики изучения лазеров в школе, на основе имеющихся средств обучения, опираясь на подходы связанные с использованием современных компьютерных технологий.
В ходе поискового этапа эксперимента определялись и уточнялись направления модернизации методики изучения лазеров, производился отбор имеющегося учебного оборудования, создавались лабораторные работы и автоматизированные работы физического практикума для профильной школы, элективные курсы для углубленного изучения лазеров, учебно-методические комплекты для проведения разработанных экспериментов. Производилась корректировка существующих методов изучения лазеров, вносились уточнения и усовершенствования в схемы предлагаемых опытов и демонстраций, детально рассматривались имеющиеся по данной тематике кинофильмы, рисунки, таблицы. Работа велась на кафедре общей теоретической физики и методики преподавания физики Рязанского государственного университета с привлечением учителей школ города Рязани и области.
Основная цель формирующего эксперимента - определение эффективности обучения в рамках разработанного курса «лазеры» на основе предлагаемой методики, реализованной путем использования созданных лабораторных работ, компьютерных слайдов, демонстраций и видеоматериалов. Традиционная методика изучения оптических квантовых генераторов в школе сводится к проведению 2-3 уроков. Разработанная методика изучения лазеров в виде курса, рассчитанного на 18 уроков для классов с углубленным изучением физики вырабатывает у учащихся более глубокие знания по данной теме, повышает интерес учащихся к физике в целом, о чем свидетельствуют результаты проведенного тестирования учащихся и анкетирования учителей. Всего за время педагогического эксперимента было протестировано более 20 учителей и 400 учащихся школ г. Рязани и области. В процессе педагогического эксперимента нами проводилось исследование эффективности современных информационных технологий в процессе преподавания темы «Лазеры». Созданный нами курс читался в профильных классах двумя способами: методом перекрестного изучения, исключающего влияние состава экспериментальных и контрольных групп. Участвовало в обучающей фазе эксперимента 210 учащихся профильных классов школ №3, 4, 43, 52 г. Рязани. Часть экспериментальных занятий проводилось на базе РГУ имени С.А. Есенина. Традиционные методы преподавания сочетались с современными, построенными на основе информационных технологий. Определение эффективности обучения физике в ходе апробации созданных технологий проводилось на основании: анкетирования учителей, учащихся и проведения контрольных работ.
После изучения разработанного нами курса «Лазеры» все учащиеся экспериментальных и контрольных классов выполняли контрольные работы. Каждая работа содержала 12 заданий, выявляющих знания физических основ работы лазеров, уровень сформированности экспериментальных умений при выполнении лабораторных работ, умения самостоятельно извлекать необходимую информацию из графического материала и составлять обобщающие выводы после проведенных экспериментов.
Результаты учащихся контрольных и экспериментальных классов усреднялись по каждому вопросу и по группам вопросов, включающим в себя различные задания. Обработка результатов входного тестирования показывала идентичность контрольной и экспериментальной совокупностей учащихся в начале исследования. В дальнейшем результаты тестирования обрабатывались с использованием статистического метода «хи-квадрат» (для 5% уровня значимости), на основании чего были обнаружены статистически значимые различия в ответах учащихся экспериментальных и контрольных классов.
Анализ работ показывает, что учащиеся экспериментальных классов дают больше правильных ответов, при этом, в отдельных случаях, касающихся физических основ работы лазеров, это различие превышает 18%. Сравнение результатов по другим группам вопросов позволило говорить о наиболее значимом увеличении правильных ответов, связанных с развитием самостоятельности, сформированности экспериментальных умений, умением делать обобщающие выводы. (рис. 6).
Содержание ответов учащихся показывает не только увеличение объема сведений, которыми располагают учащиеся экспериментальных групп, но и качественные особенности этих знаний. Если учащиеся контрольных групп дали общие, расплывчатые ответы, то учащиеся экспериментальных классов - более точные и дифференцированные.
Рис. 6 Сравнение результатов контрольных работ
Подводя итоги сказанному, можно сделать следующий вывод: использование информационных технологий при изучении лазеров значительно повышает уровень знаний и умений школьников по сравнению с учащимися контрольных классов и способствует развитию их познавательного интереса.
В заключении отражены основные результаты и выводы проведенного исследования. Диссертационная работа является результатом многолетних исследований, проведенных на базе средних школ г. Рязани и области.
Впервые разработан учебно-методический комплекс, включающий в себя разработанные нами:
- адаптированный учебный курс по лазерам;
- обучающие и контролирующие программы;
- компьютерные слайды и демонстрационные динамические картины;
- разноуровневые традиционные лабораторные работы и автоматизированные работы с применением компьютерной техники.
2. Впервые разработана методика изучения лазеров в профильных классах средней школы с использованием различных видов учебных занятий (лекции, демонстрации, эксперимент, рефераты, конференции) и предусматривающая четкую функциональную последовательность при изучении курса по лазерам.
3. Разработаны методические рекомендации при проведении уроков и факультативных занятий по изучению оптических квантовых генераторов, позволяющие правильно и последовательно излагать учебный материал и использовать разработанные лабораторные работы.
2. Результаты педагогического эксперимента показали, что разработанная нами методика изучения лазеров с применением компьютерных технологий повышает значительно повышает уровень знаний и умений школьников и способствует развитию их познавательного интереса.
По теме исследования опубликовано 15 работ общим объемом 21 п.л. (авторских 5,1 п.л.)
Захаркин И.А. Использование современных компьютерных технологий при изучении лазеров в средней школе/ А.В. Ельцов, И.А. Захаркин, Р.В. Уфимский, А.М. Шуйцев // Информатика и образование. 2007. №1. С. 115. (0,06 п.л. автор. 0,02 п.л.).
Захаркин И.А. Обучение физике в условиях профильной старшей школы/ А.В. Ельцов, И.А. Захаркин, А.М. Шуйцев // Российский научный журнал. 2008. № 4(5). С. 68-74 (0,4 п.л., авторских 0,13 п.л.).
Захаркин И.А. Компьютерные технологии при осуществлении школьных физических экспериментов/ А.В. Ельцов, И.А. Захаркин, В.А. Степанов// Физическое образование в вузах. Т. 15. №1, 2009. С. 91-99 (0,6 п.л., авторских 0,2 п.л.).
Захаркин И.А. Квантовая электроника: Учебное пособие/ А.В. Ельцов, И.А. Захаркин, В.А. Степанов// Рязань: «Таваксай», 2006. 280 с. (17,5 п.л., авторских 3 п.л.)
Захаркин И.А. Факультативный курс по изучению лазеров в средней школе/ И.А. Захаркин // Методическое обеспечение качества учебно-воспитательного процесса материалы межвузовской научно-методической конференции. XII Рязанские педагогические чтения. ГОУ ВПО «Рязанский государственный педагогический университет имени С.А. Есенина». Рязань: РГУ имени С.А. Есенина, 2005. С. 130-131 (0,13 п.л.)
Захаркин И.А. «Лазеры» в курсе физики средней школы и элективный курс данной теме/ И.А. Захаркин // Профильное обучение физике в старших классах общеобразовательных учреждений: проблемы, пути, решения. Материалы научно-практической конференции. ГОУ ВПО МО «Коломенский государственный педагогический институт». Коломна: КГПИ, 2006. С. 80-84 (0,3 п.л.)