Методическая система формирования понятия об элементарных частицах в курсе физики основной школы.
На правах рукописи
БЛОХИНА Нина Георгиевна
Методическая система формирования понятия об элементарных частицах в курсе физики основной школы.
13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания
(физика)
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата педагогических наук
Москва - 2009
Работа выполнена на кафедре методики преподавания физики
ГОУ ВПО «Московский государственный областной университет»
Научный руководитель: доктор педагогических наук, профессор
ХИЖНЯКОВА Людмила Степановна
(ГОУ ВПО МГОУ)
Официальные оппоненты: доктор педагогических наук, профессор
НУРМИНСКИЙ Игорь Игоревич
(Учреждение РАО «Институт содержания и методов обучения»)
кандидат педагогических наук, доцент
ХАРЫБИНА Ирина Николаевна
(ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»)
Ведущая организация: Московский педагогический государственный университет
Защита состоится «23» июня 2009 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 155. 09 по защите докторских диссертаций по специальностям:
13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (физика),
13.00.08 – теория и методика профессионального образования
в Московском государственном областном университете по адресу:
105005, г. Москва, ул. Радио, д.10а, корп. 1, ауд. 10.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки ГОУ ВПО «Московский государственный областной университет».
Автореферат разослан «22» мая 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат педагогических наук, доцент С.А.Кордышева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Актуальность темы исследования. Современный школьник – будущий гражданин XXI века. Ему предстоит жить и творить в условиях стремительно развивающихся высоких технологий, новых отраслей науки и техники. Главная задача общеобразовательной школы – воспитать, развить и обучить молодого человека так, чтобы он не только уверенно ориентировался в быстро изменяющемся окружающем мире, но и мог влиять на происходящие вокруг события. Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года указывает: «развивающемуся обществу нужны современно образованные, нравственные, предприимчивые люди, которые могут самостоятельно принимать ответственные решения в ситуации выбора». Каждая школьная дисциплина вносит свой вклад в образование подростка, которое сегодня ориентируется на цели и задачи, определенные Национальной доктриной образования в Российской Федерации до 2025 года. Вот некоторые из них: «формирование у детей и молодежи целостного миропонимания и современного научного мировоззрения; организация учебного процесса с учетом современных достижений науки, систематическое обновление всех аспектов образования, отражающего изменения в сфере культуры, экономики, науки, техники и технологий; вариативность образовательных программ, обеспечивающих индивидуализацию образования, личностно ориентированное обучение и воспитание».
Традиционно физика как учебный предмет являлась средством формирования научных знаний о природе и выполняла не только познавательную, но и развивающую, и воспитывающую функции. Современные цели образования, определенные Концепцией модернизации российского образования – развитие познавательных способностей, формирование универсальных обобщенных знаний, способов учебных действий с опорой на субъективный опыт – дополняют традиционные. Достижение названных целей предполагает приобретение таких новых качеств личности как - способность анализировать факты, физические явления, моделировать изучаемые объекты и процессы, объяснять результаты эксперимента; наблюдать объекты изучения, выделять их основные свойства, измерять физические величины и находить связи между ними; планировать, осуществлять и оценивать результаты познавательной деятельности при проведении исследований. Основным условием достижения указанных результатов обучения является переход к новому содержанию образования, которое бы позволило сформировать стиль мышления, соответствующий идеям современной картины мира и выстроить процесс учебной деятельности, близкий по сути к научному исследованию.
Теоретические основы учебной деятельности по физике исследовались в методике преподавания Зориной Л.Я., Кабардиным О.Ф., Мултановским В.В., Орловым В.А., Пурышевой Н.С., Разумовским В.Г., Сауровым Ю.А., Синявиной А.А., Хижняковой Л.С. и др. Ими установлено, что процесс учебного познания имеет общие и отличительные черты с процессом научного исследования. Учебная деятельность должна строиться на фундаменте теоретических обобщений, принципа взаимосвязи системы научных знаний и методов познания природы – эмпирических и теоретических. Курс физики основной школы строится на базе таких уровней теоретического обобщения как понятия, законы и идеи физической картины мира. Они согласованы с принципами развивающего обучения и личностно ориентированного подхода, которые направлены на развитие мышления каждого обучающегося, воспитание его нравственных качеств и формирование мировоззрения.
Современное миропонимание формируется под непосредственным влиянием основных идей физики и, в особенности, физики XX века. Мировоззрение современного молодого человека должно соответствовать уровню развития науки в XXI веке, достижениям высоких технологий, в частности нанотехнологий, качественно отличающихся от традиционных. В связи с этим преподавание элементов квантовой теории, атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц должно занять достойное место в структуре курса физики средней общеобразовательной школы. Знания по этим разделам должны формироваться также тщательно, как, например, по классической механике или молекулярной физике. Следовательно, уже в основной школе необходимо начинать ознакомление с элементами квантовой, атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц, выводы которых формируют главные черты современной физической картины мира, а достижения широко используются в медицине, химии, биологии, энергетике.
Стандарт образования по физике в основной школе предусматривает изучение элементов квантовой физики в заключительном разделе курса. Опыт преподавания по учебникам нового поколения показывает, что понятие об элементарных частицах формируется фрагментарно при изучении атомной и ядерной физики в 9 классе. Такой подход не обеспечивает вовлечения учащихся в активную учебную деятельность, как требуют Национальная доктрина образования в Российской Федерации до 2025 года и Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года.
Вопросы методики преподавания квантовой и атомной физики в школьном курсе рассматривались в ряде исследований (Каменецкий С.Е., Майер В.В., Пурышева Н.С., Сауров Ю.А., Тарасов Л.В. и др.). Однако в современных учебниках и методических пособиях для основной школы отсутствует системное ознакомление учащихся со свойствами элементарных частиц, методами их исследования и историей открытия. Методика формирования понятия об элементарных частицах в курсе физики основной школы специально не исследовалась.
Таким образом, возникает ряд противоречий:
- между необходимостью ознакомления учащихся с определенным объемом содержания учебного материала об элементарных частицах как одним из ведущих понятий современной физической картины мира и традиционной структурой изучения атомной физики в конце курса основной школы;
-между требованием организации продуктивных и творческих видов учебной деятельности при изучении вопросов современной физики, в частности, свойств элементарных частиц, методов их познания и перегрузкой фактологическим материалом репродуктивного характера курса основной школы;
-между возможностью использования современных информационно-коммуникационных технологий обучения и отсутствием методики формирования понятия об элементарных частицах с использованием этих технологий.
Из данных противоречий вытекает проблема исследования: определение и обоснование методической системы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе; разработка технологии ее реализации.
Объект исследования – процесс обучения физике в основной школе.
Предмет исследования – процесс формирования понятия об элементарных частицах при изучении курса физики основной школы и на пропедевтическом этапе обучения (5-6 классы).
Цель исследования – определение и обоснование методической системы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе.
Гипотеза исследования: методическая система формирования понятия об элементарных частицах в основной школе позволит познакомить учащихся с элементами современной физической картины мира и освоить ими продуктивные и творческие виды учебной деятельности, если:
- осуществлять обучение на пропедевтическом этапе (5-6 классы) и в процессе систематического изучения курса физики основной школы;
- проводить генерализацию учебного материала об элементарных частицах на пропедевтическом этапе вокруг планетарной модели атома; на этапе систематического изучения курса – на основе понятий, величин, связей между ними при изучении: строения и свойств вещества, элементов классической электронной теории, элементов квантовой, атомной и ядерной физики;
- ориентировать учебную деятельность на развитие интеллектуальных, практических умений учащихся в процессе ознакомления их с экспериментальными и теоретическими методами познания, моделями атома, ядра и видами взаимодействий на разных исторических этапах изучения микромира;
- использовать современные информационно-коммуникационные технологии для моделирования микрообъектов.
Цель исследования определила его задачи.
Задачи исследования:
- Провести анализ учебной, научно-популярной литературы по физике элементарных частиц, методической, философской и психолого-педагогической литературы по проблеме формирования научного мировоззрения и представлений о физической картине мира. Выявить теоретико-методологические основания формирования понятия об элементарных частицах в основной школе как составной части современной физической картины мира.
- Выявить теоретические положения методической системы по формированию понятия об элементарных частицах в основной школе. Разработать методику изучения понятия об элементарных частицах в основной школе.
- Разработать комплект заданий по формированию понятия об элементарных частицах, его закреплению и обобщению на уровне элементов физической картины мира.
- Разработать дидактический и иллюстративный материал по формированию понятия об элементарных частицах на основе информационно-коммуникационных технологий.
- Провести педагогический эксперимент и оценить эффективность предлагаемой методики.
Методологической и теоретической основой исследования являются работы педагогов, методистов высшей и средней школы в области: философии (Лебедев С.А., Мостепаненко М.В., Степин В.С.), также работы, посвященные проблеме формирования научного мировоззрения учащихся (Ефименко В.Ф., Мощанский В.Н., Мултановский В.В. и др.); физики атома, ядра и элементарных частиц (Мякишев Г.Я., Пинский А.А. Савельев И.В., Сивухин Д.В., Тарасов Л.В., Яворский Б.М. и др.); теории и методики обучения физики (Каменецкий С.Е., Пурышева Н.С., Усова А.В., Хижнякова Л.С. и др.); теории развивающего обучения (Выготский С.Л., Давыдов В.В., Занков Л.В., Лернер И.Я., Рубинштейн Л.С., Скаткин М.Н., Эльконин Д.Б. и др.).
Методы исследования:
- Теоретические: анализ психолого-педагогической, философской и методической литературы; анализ содержания учебников для основной и средней школы, программ, дидактического материала по физике; изучение состояния проблемы исследования в практике преподавания; системный анализ и синтез; моделирование; математико-статистические методы.
- Эмпирические: анкетирование, тестирование, педагогические наблюдения за ходом учебного процесса, педагогический эксперимент, статистическая обработка данных педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования.
Определены и обоснованы:
- методическая система поэтапного формирования понятия об элементарных частицах с двумя подсистемами: пропедевтический курс и систематическое изучение физики в основной школе; систематизирующие факторы первого этапа обучения - свойства некоторых элементарных частиц и планетарная модель атома; второго - элементы физической картины мира;
- содержательная модель формирования понятия об элементарных частицах, включающая цели преподавания, принципы отбора содержания учебного материала, методы, формы организации учебного процесса, средства обучения, а также планируемый результат;
- главные принципы отбора содержания учебного материала - принцип историзма, формирование представлений об элементах физической картины мира, принцип неразрывной связи с материалом основного курса; принципы проблематизации, личной и социальной значимости, эвристичности;
- система заданий по формированию понятия об элементарных частицах, диагностике уровней усвоения знаний, методов познания и ключевых компетентностей;
- формы организации продуктивной и творческой деятельности с преобладанием сравнений, моделирования, аналогий, проектной деятельности, решения расчётных и экспериментальных задач эвристического характера, конструирования презентаций реферативных работ;
- комплект дидактических иллюстративных материалов по формированию понятия об элементарных частицах, разработанных на основе информационно-коммуникационных технологий (компьютерное сопровождение дидактических игр – «Путешествие в глубь вещества», «Паспорт» элементарной частицы, конструктор «Микромир»); цикл лабораторных работ для различных разделов курса физики основной школы с применением элементов научного знания по элементарным частицам.
Теоретическая значимость результатов исследования определяется их вкладом в развитие теоретических основ методики преподавания физики в основной школе. Она состоит в том, что:
- результаты исследования вносят вклад в обоснование идеи о поэтапном формировании понятия об элементарных частицах при изучении физической составляющей интегрированного курса образовательной области «Естествознание» (5-6 классы) и курса физики (7-9 классы) как ведущего понятия современной физической картины мира;
- разработана содержательная модель формирования понятия об элементарных частицах с двумя подсистемами: пропедевтической и базового курса физики основной школы, ориентированная на формирование элементов современной научной картины мира, а также коммуникативных и информационных компетентностей;
- конкретизирован системный подход к формированию понятия об элементарных частицах через построение методической системы, осуществляющей более раннее развитие личности школьника и подготовку к систематическому изучению физики основной школы.
Практическая значимость исследования заключается в разработке:
- методики поэтапного формирования понятия об элементарных частицах в основной школе с учётом задачи организации продуктивной и творческой деятельности учащихся;
- физической составляющей интегрированного курса естествознания в 5-6 классах; системы заданий для учащихся, комплекта дидактических иллюстративных материалов, разработанных на основе информационно-коммуникационных технологий и цикла лабораторных работ с применением элементов научного знания по элементарным частицам;
- тематики информационных, исследовательских, реферативных и проектных работ учащихся при изучении элементарных частиц;
- системы диагностики уровней сформированности знаний, умений и компетентностей при изучении элементарных частиц.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Средством формирования элементов современной физической картины мира в основной школе может служить более раннее ознакомление учащихся с элементарными частицами на пропедевтическом этапе обучения физике (5-6 классы) и базового курса физики, основанное на внутрипредметной связи научных знаний. Содержательная модель конструируется по схеме: пропедевтические сведения о частицах (5-6класс) – строение и свойства вещества в молекулярной физике, элементы электронной теории в электродинамике (8 класс) – элементы атомной и ядерной физики – элементарные частицы ( 9 класс).
2. Отбор содержания учебного материала для формирования понятия об элементарных частицах проводится на основе принципов проблематизации, личной и социальной значимости, доступности, наглядности, историзма и эвристичности, а также теории развивающего обучения, на базе которых разрабатывается соответствующая методическая система обучения.
3. Поэтапное формирование понятия об элементарных частицах осуществляется в формах организации продуктивной и творческой деятельности. Она включает моделирование, аналогии, проектную деятельность, решение расчётных и экспериментальных задач эвристического характера, презентации реферативных работ, дидактические игры – «Путешествие в глубь вещества», «Паспорт» элементарной частицы, конструктор «Микромир», лабораторные работы для различных разделов курса с применением элементов научного знания по элементарным частицам.
4. Диагностика уровней формирования у учащихся знаний и умений осуществляется в единстве планового традиционного контроля и результатов их исследовательской и конструкторской деятельности: исследование – описание свойств частиц, ознакомление с конструкцией экспериментальной установки, исследование- анализ треков частиц и их свойств, исследование- наблюдение мультимедийных моделей объектов микромира, конструирование презентаций реферативных работ.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационном исследовании результатов и выводов обеспечиваются:
-использованием в ходе работы современных достижений педагогики, методики преподавания физики и информационных технологий;
-теоретическим анализом исследуемой проблемы;
-результатами педагогического эксперимента и использованием адекватных статистических методов обработки его результатов.
Апробация результатов исследования:
-основные положения настоящего исследования докладывались и обсуждались с 2002 по 2008 годы на Международных конференциях МПФ МГОУ, заседаниях кафедры МПФ МГОУ, методологических семинарах МПФ МГОУ, заседаниях городского методического объединения учителей физики города Жуковского Московской области;
-обучение по рассмотренной в работе методике за период с 2002 по 2008 годы прошли 410 учащихся 5-9 классов лицея №14, МОУ №12, 9, 3 г. Жуковского, лицея №15 г. Химки Московской области; ГОУ ЦО №548 «Царицыно» г. Москвы, СОШ № 16, 17 города Тобольска.
-по теме исследования опубликовано 11 работ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются основные противоречия, проблема исследования, его объект, предмет, цель, гипотеза и задачи. Раскрываются новизна, теоретическая и практическая значимость, излагаются основные положения, выносимые на защиту. Приводятся сведения об апробации работы и об имеющихся публикациях.
В первой главе «Формирование понятия об элементарных частицах как компонента физической картины мира при изучении курса физики» обоснована необходимость, целесообразность и возможность ознакомления учащихся основной школы с элементарными частицами.
Анализ литературы показывает, что понятие об элементарных частицах изменялось с развитием научного знания о строении вещества. В рамках механической и электромагнитной картин мира мельчайшие частицы вещества – молекулы, ионы и атомы - называли элементарными, т. е. неделимыми. В современной физике под истинно элементарными (фундаментальными) частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. В экспериментах каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы - это микрочастицы, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протонов – ядер атома водорода). Все они представляют собой специфическую форму материи, главное свойство которой взаимопревращаемость. Каждая группа частиц обладает также своими особыми свойствами.
Стандарт среднего (полного) образования по физике предусматривает изучение понятия об элементарных частицах и фундаментальных взаимодействиях, лежащих в основе современной физической картины мира, которая входит составной частью в естественнонаучную картину мира. Как правило, теоретические обобщения проводятся на уровне физических теорий, методологических принципов, общенаучных понятий. В курсе физики основной школы возможности такого обобщения ограничены, так как содержание дисциплины конструируется на базе физических явлений, величин и ряда фундаментальных законов физики. Доказано, что в этих условиях теоретические обобщения возможны на уровне общенаучных понятий, которые можно рассматривать как компоненты физической картины мира. В методической литературе определены общенаучные понятия этой картины, например, понятия о материи и движении, взаимодействии, закономерности. Показано, что компоненты физической картины мира могут быть использованы для конструирования методической системы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе.
Ознакомление учащихся с элементарными частицами в курсе физики основной школы, согласно стандарту основного общего образования, предусмотрено при изучении квантовых явлений. Анализ учебников физики нового поколения для основной школы показывает, что квантовые явления рассматриваются в заключительном разделе курса. В нем приводятся сведения о таких элементарных частицах, как электрон, протон, фотон, нейтрино, позитрон, кварки. В учебниках вводятся понятия о ядерных силах, энергии связи, ядерных реакциях, а также методах исследования элементарных частиц, в основном на примере камеры Вильсона. В связи с пересмотром содержания интегрированных курсов естествознания в 5 – 6 классах, в них появились некоторые сведения об элементарных частицах, например, об электроне, протоне и нейтроне. Вопросы преемственности формирования понятия об элементарных частицах требуют специального исследования с учетом возрастных особенностей учащихся.
Теория развивающего обучения имеет глубокие корни. Она заложена в работах выдающихся психологов и педагогов ХХ века (Выготский С.Л., Давыдов В.В., Занков Л.В., Лернер И.Я., Рубинштейн Л.С., Скаткин М.Н., Эльконин Д.Б. и др.). Согласно теории развивающего обучения личность ученика формируется в процессе организации его активной деятельности; переноса знаний и умений из одной предметной области физики в другую; выделения объекта изучения, его свойств и теоретических обобщений. Одним из основных принципов теории развивающего обучения является повышение научного уровня содержания образования, соответствующего «зоне ближайшего развития» и возрастным особенностям учащихся.
Возможность изучения абстрактных, теоретических понятий учащимися основной школы подтверждается результатами исследований психологов. В частности, Ж. Пиаже отмечает, что у подростка 11-14 лет большое значение в образовательном процессе приобретает теоретическое мышление, способность устанавливать смысловые связи между понятиями. По мнению Выготского Л.С., Занкова Л.В. и Рубинштейна С.Л.. хорошо развитые теоретические обобщения формируются в результате конкретной познавательной учебной деятельности. При этом происходит освоение определенной системы научных знаний и развитие познавательных способностей ребенка. Из анализа их работ следует, что ознакомление учащихся с объектами микромира, их свойствами и методами исследования открывает большие перспективы в развитии их коммуникативных и интеллектуальных способностей.
Во второй главе «Теоретические основы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе» рассмотрены главные положения конструирования методической системы. Она основана на теоретическом положении о том, что элементарные частицы являются структурными элементами любого материального образования; а также на идее единства природы и неисчерпаемости ее познания. Эти положение и идея определили выбор системообразующего фактора содержания учебного материала. Им являются основные свойства изучаемых элементарных частиц: масса, электрический заряд, время жизни, взаимопревращаемость. В качестве изучаемых частиц, в соответствии с историей развития научного знания о природе, выбраны электрон, протон, нейтрон, фотон, позитрон, нейтрино, -мезон, кварк.
Отбор содержания учебного материала об этих частицах определяют принципы дидактики: доступность, наглядность, проблематизация, личная и социальная значимость, эвристичность. Кроме этого использовались психологические основы развивающего обучения, общенаучные и методические принципы. К ним относятся принципы историзма, отражения понятия на уровне достижений науки 20 века, формирования представлений об элементах физической картины мира – закономерности и взаимодействии, а также идеи единства природы и неисчерпаемости ее познания. При этом учитывались положения о поэтапном формировании понятия и неразрывной связи с материалом основного курса. На схеме 1 представлены лишь некоторые основные принципы отбора содержания учебного материала.
Цель методической системы согласована с принципами отбора содержания учебного материала об элементарных частицах. Поэтапное изучение учебного материала основывается на теории развивающего обучения. Доступность определяется реализацией на практике принципа наглядности, который воплощается в ходе применения на уроках компьютерных моделей объектов микромира, схем исторических опытов, плакатов, рисунков, фотографий треков частиц, а также иллюстративного материала, изготовленного учениками.
Доступность и наглядность процесса формирования понятия об элементарных частицах существенно усиливается принципом историзма, т.е. опорой на научные факты, когда истинность преподносимого учебного материала обосновывается ходом исторического развития физики микромира.
Принципы проблематизации, эвристичности, личной и социальной значимости отражаются в методах познания и обучения, в процессе организации продуктивной и творческой деятельности.
Учебный материал об элементарных частицах в курсе физики основной школы не выделяется в специальный раздел. Ознакомление со свойствами частиц, историей их открытия, методами исследования и регистрации происходит поэтапно: пропедевтический – 5-6 классы, основная школа – 7, 8, 9 классы.
На пропедевтическом этапе рассматривается планетарная модель строения атома, а также свойства электрона, протона, нейтрона. К основным свойствам этих частиц относятся, в частности, наличие массы у перечисленных выше частиц, электрического заряда у электрона и протона, а также вводится понятие о взаимодействии частиц.
На этапе систематического изучения курса физики, как показано на схеме 1, процесс формирования понятия об элементарных частицах получает дальнейшее развитие. Так, стандартом образования в разделе «Электромагнитные явления» предусмотрено изучение строения атома и элементов классической электронной теории. Методическая система формирования понятия об элементарных частицах соответственно предусматривает рассмотрение фрагментов из истории исследования
Схема 1. Основные составляющие методической системы формирования понятия об элементарных частицах.
| Этапы | Основное содержание учебного материала | Методы, средства и формы организации обучения |
| 5-6 кл. | Планетарная модель строения атома. Электрон, протон, нейтрон. | Эвристические методы, дидактическая игра; виды учебной деятельности – моделирование, сравнение; средства обучения – компьютерное сопровождение игры, плакаты, модели молекул, конструктор «Микромир»; цикл уроков в разделе «Строение вещества» в форме дидактической игры «Путешествие в глубь вещества». |
| 7-8 кл. | Ознакомление с объектами микро, макро и мега-мира. Элементарный электрический заряд. Опыты Резерфорда. Исследование треков частиц в камере Вильсона. Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы. Позитрон. | Методы – игровой, проблемное изложение; виды учебной деятельности: дидактическая игра: «Паспорт элементарной частицы», лабораторные работы, решение задач; средства обучения – компьютерные презентации; уроки в разделах «Агрегатные состояния вещества», «Элементы классической электронной теории», «Магнитное поле»; |
| 9 кл. | Фотон. Радиоактивность. Состав атомных ядер. Взаимопревращаемость – основное свойство элементарных частиц. Нейтрино. Ядерные силы. -мезон. Кварки. Энергия связи. Законы сохранения энергии и электрического заряда. Ядерные реакции. Ионизирующее излучение и его биологическое действие. | Мысленный эксперимент, исследовательский; виды учебной деятельности: решение задач, лабораторные работы, проектная деятельность с использованием презентаций; уроки в разделах «Элементы квантовой физики», «Строение атома и атомного ядра», выстроенные в исторической последовательности; цикл уроков «Элементы СФКМ». |
| Результат обучения (уровни учебных достижений) | ||
| Воспроизведение, применение и обобщение знаний об основных свойствах элементарных частиц, методах их исследования и истории открытия. Способность анализировать треки частиц, составлять ядерные реакции и реакции распадов элементарных частиц. Способность к теоретическим обобщениям на уровне элементов современной физической картины мира. | ||
строения атома. Работы М. Фарадея по электролизу позволяют сделать вывод о наличии внутри атомов электрических зарядов. Используется материал об истории открытия электрона Дж. Томсоном, который высказал гипотезу о том, что электроны являются составными частями атома. Достаточно подробно анализируются опыты Э. Резерфорда и его планетарная модель атома. Она используется при изучении элементов классической электронной теории вещества. В основе ее лежит представление о строении вещества из электрически заряженных частиц – электронов и атомных ядер. Данный материал позволяет сделать вывод о том, что в природе не существует электрического заряда без частицы, однако частица может и не иметь электрического заряда. Фрагменты из истории развития классической электронной теории легли в основу разработки содержания учебного материала о строении атома и элементов классической электронной теории.
Содержательная схема развития понятия об элементарных частицах в рамках изучения элементов классической электронной теории такова: элементарный электрический заряд и определение его значения на основе исследований химического действия тока; опыты Резерфорда и планетарная модель атома; исследование заряженных частиц в камере Вильсона; электронная проводимость металлов; проводники и диэлектрики в электростатическом поле.
Изучение электронной проводимости металлов позволяет сделать выводы, важные для формирования представлений об электроне. Носителями свободных зарядов в металлах являются электроны проводимости. В курсе физики основной школы, согласно Государственному стандарту образования, предусмотрено изучение носителей электрических зарядов не только в металлах, но и в газах, и в полупроводниках.
Углубление и расширение представлений об элементарных частицах в девятом классе осуществляется при изучении раздела «Элементы квантовой физики». Он предусматривает ознакомление с квантово-механической моделью атома Н. Бора, который усовершенствовал планетарную модель атома Резерфорда. Изучение модели Бора позволяет показать границы применимости классической электродинамики, которая не смогла объяснить происхождение линейчатых спектров. Теория Н.Бора объяснила закономерности линейчатого спектра водорода, квантовый характер излучения и поглощения света. Данная теория позволяет ввести в курс физики основной школы понятие фотона как элементарной частицы. В процессе изучения теории Н.Бора создаются условия для ознакомления учащихся с индуцированным излучением и действием лазера. Последовательность изучения вопросов темы следующая: непрерывный и линейчатый спектры, постулаты Бора, модель атома водорода по Бору, индуцированное излучение. Материал об индуцированном излучении и действии лазера предназначен для дополнительного чтения и организации проектной деятельности одаренных учащихся.
Обязательный минимум содержания основных образовательных программ завершает раздел «Строение атомного ядра». В нем предоставляется возможность познакомить учащихся со свойствами элементарных частиц (взаимопревращаемость и стабильность); методами познания микромира; сформировать представление о нейтрино, -мезонах, кварках; отработать умение правильно записывать ядерные реакции на основе законов сохранения энергии и электрического заряда. Содержание раздела включает следующие вопросы: радиоактивность, состав атомного ядра, ядерные силы, деление массивных ядер, цепная реакция, ядерный реактор, ионизирующее излучение и его биологическое действие.
Разработанная система домашних, самостоятельных, контрольных и творческих заданий позволила выявить уровни усвоения содержания учебного материала об элементарных частицах и уровни учебных достижений.
На пропедевтическом этапе знания многих школьников о частицах остаются на уровне информированности об основных свойствах электрона, протона и нейтрона. Достижения семиклассников и восьмиклассников соответствуют уровню грамотности, что предполагает применение полученных знаний для объяснения физических явлений. Большинство выпускников основной школы достигают уровня компетентности. Они под руководством учителя обобщают элементы научного знания об элементарных частицах по компонентам физической картины мира.
В третьей главе «Технологии формирования понятия об элементарных частицах в основной школе» представлены методы, средства и формы организации учебного процесса. Технологическая составляющая методической системы опирается на три взаимосвязанные задачи обучения (обучающую, развивающую, воспитательную). Формирование представлений о физической картине мира и методах научного познания - основные компоненты процесса формирования научного мировоззрения. В процессе формирования понятия об элементарных частицах было подтверждено, что происходит развитие абстрактного мышления, интеллектуальных и творческих способностей учащихся, умения анализировать полученную информацию и самостоятельно приобретать знания. Эти задачи методической системы определили методы и средства обучения.
Основными методами обучения в процессе формирования понятия об элементарных частицах являются дидактическая игра, эвристическая беседа, проблемное изложение, мысленный эксперимент, а также исследовательский и практический методы (см. схему 1). Преподавание элементов квантовой физики, физики атома, атомного ядра в 9 классе осуществляется в соответствии с историей их развития в ХХ веке.
Составной частью системы средств обучения служат лабораторные работы, решение задач, рисунки, аппликации моделей атома и ядра.
Основными средствами обучения, в соответствии с принципами отбора учебного материала, являются модели объектов микромира (компьютерные рисунки, мультимедийные проекты, плакаты); Интернет как источник информации; схемы исторических опытов (плакаты, компьютерные иллюстрации); фотографии треков частиц; Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева; таблица «Современная классификация элементарных частиц»; плакат – схема «Научные открытия XIX века и развитие физики микромира в ХХ веке»; демонстрационное и лабораторное оборудование; система заданий по этапам; конструктор «Микромир».
Дидактическая игра «Путешествие в глубь вещества» одновременно является методом обучения на пропедевтическом этапе и формой организации учебного процесса, так как по времени занимает несколько уроков. Учащиеся под руководством учителя представляют себя «уменьшенными в размерах», и каждый на своем «микролете» отправляется в путешествие, делая следующие остановки: тела-вещества-молекулы-атомы-ядра. В ходе «путешествия» школьники заполняют путевой дневник, в который записывают все «увиденное»: строение молекул, атомов, ядер, свойства электрона, протона, нейтрона.
По мере ознакомления с элементарными частицами в 7-9 классах учащиеся составляют «Паспорт» для каждой из них. «Паспорт» включает название, символ, краткую историю открытия частицы, значение ее массы, электрического заряда, времени жизни. Он содержит сведения о «местонахождении» частицы в структуре вещества, возможных распадах, наличии внутренней структуры и античастице.
В четвертой главе: «Организация и результаты педагогического эксперимента» представлена общая характеристика этапов исследования, а также опытная проверка варианта методики формирования понятия об элементарных частицах. В процессе проведенного исследования выделяется три этапа.
На этапе констатирующего эксперимента (2002-2003 г.г.) разрабатывалась идея формирования понятия об элементарных частицах в основной школе, осуществлялся поиск элементов методики. В этот период был проведен анализ научной, учебной, научно-популярной литературы по физике элементарных частиц, учебников для средней и основной школы, пособий по психологии подросткового возраста, методических изданий по формированию у школьников научного мировоззрения, представлений о современной физической картине мира и методах познания природы. Основные методы экспериментальной проверки гипотезы исследования на этом этапе: анкетирование, наблюдение педагогического процесса, анализ педагогического опыта, апробация идеи на уроках. В ходе этой деятельности были получены данные, которые позволили сформулировать теоретические основы диссертационного исследования.
Этап поискового эксперимента (2003-2006 г.г.) характеризуется как этап разработки теоретических основ исследования, обоснования методической системы по формированию понятия об элементарных частицах. Опытная проверка методики формирования понятия осуществлялась в течение поискового и обучающего экспериментов. Эти этапы характеризуются совершенствованием средств обучения с использованием информационных технологий.
Этап обучающего эксперимента (2006-2008г.г.) – проверка гипотезы исследования, оценка эффективности методики формирования понятия об элементарных частицах, окончательная апробация методики в практическом обучении, подведение итогов эксперимента, обработка и анализ его результатов, оформление исследования.
Этапы исследования частично перекрывали друг друга. На каждом из выделенных этапов теоретическая работа и ее экспериментальная проверка проводились одновременно. Полученные результаты анализировались, и сразу вносились изменения в методику формирования понятия, подбор методов и средств обучения.
Таблица 1. Обзор этапов экспериментального исследования.
| Название этапа | Годы | Экспериментальная база | Число участников | Методы |
| I этап констатирующий эксперимент | 2002- 2003 г.г. | лицей № 14, МОУ средние школы № 12, 9, 3 г. Жуковский М.о. | 3 учителя физики 92 учащихся | анкетирование, наблюдение педагогического процесса |
| II этап поисковый эксперимент | 2003- 2006 г.г. | лицей № 14, МОУ средние школы № 12, 9, 3 г. Жуковский М.о., ГОУ ЦО №548 «Царицыно» г. Москвы, СОШ № 16, 17 города Тобольска. | 6 учителей, 145 учащихся | наблюдение педагогического процесса, сравнительный анализ опыта, моделирование |
| III этап обучающий эксперимент | 2006-2008 г.г. | лицей № 14, МОУ средние школы № 12, 9, 3 г. Жуковский М.о., лицей № 15 г. Химки М.о., ГОУ ЦО №548 «Царицыно» г. Москвы, СОШ № 16, 17 города Тобольска. | 7 учителей, 173 учащихся | наблюдение педагогического процесса, сравнительный анализ опыта, моделирование, экспериментальное обучение |
Итоговая контрольная работа по учебному материалу об элементарных частицах в основной школе включала задания, которые можно распределить по блокам – элементам научного знания. Блоки №1, 2, 3 - основные свойства частиц; №4 - сведения из истории их открытия; №5 - методы исследования и регистрации. На диаграмме отражены результаты итоговой контрольной работы.
Диаграмма 1.
Анализ результатов итоговой работы по учебному материалу об элементарных частицах показал, что понятие об элементарных частицах у выпускников основной школы сформировано, большинство школьников овладели предложенными им элементами научного знания об объектах микромира.
Об эффективности поэтапного изучения учебного материала об элементарных частицах можно судить, сравнивая результаты итоговых работ в контрольных (обучение осуществлялось по традиционной методике) и экспериментальных классах.
Диаграмма 2
Достоверность полученных данных проверена статистическим методом 2. Выполненные расчеты 2 дают значение 2=22,2. Критическое значение 2 при уровне вероятности 5% составляет 7,81, а при уровне вероятности 1% - 11,34. Найденное значение 22,2>11,34>7,81 (2эмп > 2крит 99% > 2крит 95%). Следовательно, можно сделать вывод о том, что различие результатов педагогического эксперимента в контрольных и экспериментальных классах достоверно. Организация процесса обучения по методике поэтапного формирования понятия об элементарных частицах значительно повлияла на результаты итоговых контрольных работ в экспериментальных классах и оказалась эффективной. Использование в практике преподавания результатов исследования позволяет увеличить число отметок «4» и «5» и уменьшить число отметок «2» и «3» со статистически достоверной долей вероятности.
Диаграмма 3
Гипотеза исследования подтверждена проведенным педагогическим экспериментом.
В Заключении сформулированы выводы и результаты, полученные в ходе проведенного исследования и подтверждающие правильность исходной гипотезы.
Основные результаты и выводы исследования.
- На основе анализа психолого-педагогической, научно-методической и учебной литературы доказана необходимость, целесообразность и возможность формирования понятия об элементарных частицах в основной школе как компонента современной физической картины мира. Физика элементарных частиц в настоящее время определяет основные черты современной физической картины мира, следовательно, для ознакомления с элементами этой картины необходимо сформировать понятие об элементарных частицах уже в основной школе. Возможность формирования абстрактных понятий в основной школе, в частности понятия об элементарных частицах, определяется выводами теории развивающего обучения. Сложившаяся в конце ХХ века тенденция к завершению курса физики основной школы требует разработки методики формирования понятий квантовой, атомной, ядерной физики и физики высоких энергий, в частности, понятия об элементарных частицах.
- Определены и обоснованы теоретические положения методической системы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе, целью которой является формирование представлений о современной физической картине мира и методах познания природы. Понятие об элементарных частицах является компонентом современной физической картины мира, раскрывающим идеи единства природы и неисчерпаемости ее познания. Это понятие включает следующие элементы научного знания: основные свойства объектов микромира, факты из истории их открытия, методы исследования и регистрации. Учебный материал об элементарных частицах в курсе физики основной школы не выделяется в специальный раздел, ознакомление со свойствами частиц, историей их открытия, методами исследования и регистрации происходит поэтапно: пропедевтический – 5-6 классы, основная школа – 7, 8, 9 классы. Учебный материал об элементарных частицах распределен по разделам основного курса физики. Ведущими методами обучения являются дидактическая игра, эвристическая беседа, проблемное изложение, исследовательский, практический (лабораторные работы, решение задач, моделирование атомов и ядер). Выбор средств обучения определяется принципами отбора учебного материала. Преимущество получают средства обучения, основанные на информационно-коммуникационных технологиях.
- Создан комплект заданий по формированию, закреплению и обобщению на уровне элементов физической картины мира понятия об элементарных частицах. Разработанный комплект способствует вовлечению учащихся в продуктивные и творческие виды деятельности.
- Разработан дидактический и иллюстративный материал по формированию понятия об элементарных частицах на основе информационно-коммуникационных технологий. Создан цикл компьютерных презентаций к урокам или их фрагментам, конструктор «Микромир», компьютерное сопровождение к игре «Путешествие в глубь вещества», комплект наглядных пособий.
- Проведен педагогический эксперимент и оценена эффективность предлагаемой методики. В результате применения описанной в диссертации методики сформировано понятие об элементарных частицах: их основных свойствах, методах исследования, истории открытия. На его основе сформировано представление об элементах современной физической картины мира: понятиях – взаимодействие, закономерность; идеях - о единстве природы и неисчерпаемости процесса ее познания.
Основные положения диссертации отражены в публикациях:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов исследования
- Блохина Н.Г. Формирование понятия об элементарных частицах в основной школе // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Педагогика». - №3. – М.:Изд-во МГОУ, 2008. – 262 с. (ISBN 978-5-7017-1338-1)
Статьи в сборниках научных трудов и тезисы докладов на научно-практических конференциях
- Блохина Н.Г. Ознакомление учащихся 5-го класса с планетарной моделью атома // Проблема теоретических обобщений на уровне законов при обучении физике. Педагогический ВУЗ, средние общеобразовательные учреждения. – М.: МПУ, 2002. – С.75-76.
- Блохина Н.Г. Изучение электрона как элементарной частицы в основной школе // Проблемы формирования обобщений на уровне теории при обучении физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. – М.:МГОУ, 2003.- С.132-133.
- Блохина Н.Г. Некоторые рекомендации к изучению темы «Физические методы изучения природы» курса физики 7 класса // Совершенствование методической системы обучения физике в основной школе. Введение, механика (перемещение, скорость, ускорение). – М.:МГОУ, 2004.- С.48-51.
- Блохина Н.Г. Программа спецкурса: «Занимательная физика элементарных частиц» // Проблемы формирования обобщений на уровне физической картины мира при обучении физике. Общеобразовательные учреждения, педагогические вузы. Доклады Международной научно-практической конференции. – М.:МГОУ, 2004. – С.120-121.
- Блохина Н.Г. Ознакомление учащихся с теоретическими методами познания природы при изучении элементарных частиц в курсе физики основной школы // Проблемы взаимосвязи эмпирических и теоретических методов познания в учебном процессе по физике. Общеобразовательные учреждения, педагогические вузы. Доклады Международной научно-практической конференции. – М.:МГОУ, 2005. – С. 194-196.
- Блохина Н.Г. Этапы формирования представлений об элементарных частицах в основной школе // Целеполагание и средства его достижения в процессе обучения физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады Международной научно-практической конференции. – М.:МГОУ, 2006. – С.195-197.
- Блохина Н.Г. Развитие творческого воображения при изучении элементарных частиц в основной школе // Проблемы развивающего обучения физике в условиях предметной информационно-образовательной среды. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады научно-практической конференции. – М.: МГОУ 2007. – С. 128-130.
- Блохина Н.Г. Оценка качества знаний выпускников основной школы по учебному материалу об элементарных частицах // Проблемы контроля и оценки качества образования по физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады научно-практической конференции. – М.:МГОУ, 2008. – С.113-115.
- Блохина Н.Г. Оценка элементов научного знания об элементарных частицах в учебниках по физике для основной школы // Проблемы контроля и оценки качества образования по физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады научно-практической конференции. – М.:МГОУ, 2008. – С.81-85.
- Блохина Н.Г., Строгонова А.В. Использование ИКТ на уроках физики и биологии // Материалы XIX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», 2008, Троицк.
