«ЭЛЕМЕНТЫ УЧЕБНОЙ ФИЗИКИ КАК ОСНОВА ОРГАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЕ ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ ...»

На правах рукописи

МАИЕР Валерий Вильгельмович

ЭЛЕМЕНТЫ УЧЕБНОЙ ФИЗИКИ КАК ОСНОВА ОРГАНИЗАЦИИ

ПРОЦЕССА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ СИСТЕМЕ

ФИЗИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ

13.00.02 — теория и методика обучения физике

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора педагогических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре общей физики Глазовского государственного педагогического института имени В. Г. Короленко

Научный консультант: действительный член РАО, доктор педагогических наук, профессор В. Г. РАЗУМОВСКИЙ

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАО, доктор физико-математических наук, профессор Е. М. ГЕРШЕНЗОН доктор педагогических наук, профессор А. Т. ГЛАЗУНОВ доктор педагогических наук, профессор Ю. А. САУРОВ

Ведущая организация: УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Защита состоится 21 декабря 2000 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 018.06.01 в Институте общего и среднего образования Российской Академии образования по адресу 119435, г.Москва, Погодинская ул., дом 8, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в филиале № 3 Государственной научной библиотеки имени К. Д. Ушинского при Российской Академии образования.

Автореферат разослан 16 ноября 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор педагогических наук С. А. Бешенков

ВВЕДЕНИЕ

Постановка научной проблемы и актуальность исследования. Переживаемый нами этап развития общества характеризуется резким обострением экономических и социальных проблем, решение которых под силу лишь поколению высокой нравственности, культуры и творческого потенциала. Именно поэтому определяющим направлением в современном образовании является поиск эффективных методов становления и развития личности.

В этих условиях конкретные дидактики, в том числе и дидактика физики (теория и методика обучения физике), должны в еще большей степени опираться на психолого-педагогические теории личности, деятельности, творческой активности. Традиционно дидактика физики исходит из педагогической концепции развития личности в процессе изучения конкретного учебного предмета и рассматривает физику как базисную науку, специфика которой должна быть учтена.

Такой подход, несомненно, дал крупные результаты. Исследования закономерностей формирования физических понятий (А.В.Усова), развития творческих способностей учащихся в процессе обучения физике (В. Г. Разумовский), оптимизации учебного процесса (Ю. К. Бабанский), системности и оптимизации школьного физического эксперимента (Л.И.Анциферов), формирования познавательного интереса школьников (И. Я. Панина), использования учебного физического эксперимента в развивающем обучении (Т. Н. Шамало), проблемного обучения на уроках физики (Р. И. Малафеев), учебной деятельности школьников при изучении физики (Ю. А. Сауров), познавательной активности школьников в процессе обучения (В. С. Данюшенков) и др., а также содержания школьного физического образования (Ю. И. Дик, А. Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, С. Е. Каменецкий, В.В.Лаптев, В.

В.Мултановский, В. А. Орлов, А. А. Пинский, А. А. Покровский, С. А. Хорошавин, Н. М.

Шахма-ев и др.) определили суть дидактики физики наших дней и задают одно из направлений дальнейшего ее развития.

Однако это направление не единственно. Личность обладает свободой выбора и в процессе обучения далеко не всегда ставит перед собой те же задачи, которые решаются учителем.

Парадигма подготовки учащегося к взрослой жизни на наших глазах трансформируется в парадигму образовательных услуг, удовлетворяющих потребности личности в образовании.

Поэтому на одно из центральных направлений выдвигается дидактическое исследование элементов физической науки с целью создания пригодных для изз'чения подрастающим поколением элементов физического знания. В этом направлении также выполнены значительные по объему и глубине отечественные исследования, в результате которых созданы новые учебные теории, учебные эксперименты и методики их изучения. Среди ученых этого направления, оказавших наибольшее влияние на настоящее исследование, в первую очередь следует отметить Я. Е. Амстиславского, М. Н. Башкатова, А. С. Кондратьева, Н. Н. Малова, Б. Ю. Миргородского, Н.Я.Молоткова, Б. III. Перкальс-киса, Л. И.

Резникова, Г. А. Рязанова.

Кратко перечисленные здесь исследования не исчерпывают проблему обеспечения в системе физического образования процесса научного познания учащимися. Современным требованиям общества и государства отвечают созданные в Лаборатории физики и астрономии ИОСО РАО обязательные минимумы содержания курса физики для средней общеобразовательной школы и школы с гуманитарным профилем обучения, а также примерные программы среднего (полного) общего образования (Ю.И.Дик, В.А.Коровин, В.А.Орлов, А. А. Пинский), которые предусматривают не только понимание сущности метода научного познания окружающего мира, но и владение основами этого метода. Такая задача раньше не ставилась, поэтому традиционный курс физики рассчитан прежде всего на ознакомление с результатами научных достижений при широком охвате материала, но довольно мелкой и поверхностной его проработке на хорошо известных и нередко избитых примерах. В этих условиях возникает противоречие между необходимостью изучения всех важнейших областей науки и ее практического применения при жестком бюджете времени, с одной стороны, и непременным требованием включения учащихся в процесс научного познания, который в свою очередь требует достаточно продолжительных самостоятельных исследований, с другой стороны. В конце 60-х годов был найден способ частичного разрешения этого противоречия путем изучения наряду с общим курсом физики курсов по выбору учащимися. Однако усилия исследователей этого направления были нацелены преимущественно опять-таки на углубленное ознакомление учащихся с научными достижениями.

Для организации исследовательской деятельности учащихся необходимо выявить такую область науки, которая допускает возможность получения новых результатов учащимися и учителем. Назовем эту область науки учебной физикой. Очевидно, учебная физика не исчерпывается содержанием учебников и, по существу, неисчерпаема в смысле возможности осуществления исследований с целью получения результатов, характеризующихся новизной.

Согласно современной концепции теории образования учебные курсы физики представляют собой модели науки физики. С этой точки зрения можно говорить об обобщенной дидактической модели физической науки — учебной физике, которая, охватывая существующие курсы физики, объединяет все пригодные для обучения подрастающего поколения физические знания. Методическая система обучения, определяемая по А. М.

Пышкало, как совокупность иерархически взаимосвязанных целей, содержания, методов, организационных форм и средств обучения, частично включает учебную физику в качестве содержательного компонента. Помимо традиционных разделов учебная физика содержит все доступные для обучения новые разделы физической науки, которые изложены в обширной по тематике, разнообразной по уровню научной, популярной, периодической, учебной и методической литературе, а также дидактические материалы, предназначенные непосредственно учащимся, физические игрушки, приборы и многое другое.

Изучение научной и методической литературы показывает, что само понятие учебной физики не выделяется, содержание этого понятия не определено, место учебной физики в дидактике физики не обозначено, значение учебной физики для обеспечения научного познания учащимися не исследовано.

Таким образом, выявлено противоречие общего характера между тем значением, которое имеет учебная физика для дидактики физики вообще и развития личности учащегося в частности, и неразработанностью теоретической концепции учебной физики как объекта изучения и научного познания. Кроме того, в теории и методике обучения физике можно выделить ряд противоречий, решение которых прямо связано с проблемой исследования. К ним относятся противоречия между:

• требованием общества и потребностью учащихся в научном познании явлений ноосферы, имеющих важное значение для физической науки, техники, для развития познавательного интереса, мотивации исследовательской деятельности, формирования физического мышления, мировоззрения, овладения методами научного познания, а в конечном итоге — становления личности учащихся, и возможностями самостоятельного изучения этих явлений в современной системе физического образования;

• необходимостью изжить формализм в знаниях учащихся, отождествление ими модели и явления, неумение проверить теоретический вывод экспериментом, отличить научную информацию от псевдонаучной и сложной, малопонятной, неинтересной физической теорией, недоступным физическим экспериментом, а также необоснованностью учебной физической теории учебным физическим экспериментом, отсутствием системных экспериментальных доказательств справедливости теоретических положений;

• необходимостью формирования умений учащихся на основе экспериментальных фактов формулировать гипотезу, строить теоретическую модель явления, выводить из нее следствия, планировать и выполнять эксперимент с целью проверки следствий и подтверждения или опровержения гипотезы, определять область и границы применимости теории и т. д. и недостаточной разработанностью методики развития познавательной и творческой деятельности учащихся при изучении конкретных вопросов физики, исключающей практику передачи учащимся "малопонятной для них информации, запоминание которой создает лишь видимость знаний" (В. Г. Разумовский).

Таким образом, актуальна проблема разработки теоретических основ и создания конкретных элементов учебной физики, как области дидактики физики, овладение которой позволит учащимся не только познакомиться с важнейшими достижениями физической науки, но и освоить теоретический и экспериментальный методы научного познания.

Основная идея выполненного исследования состоит в том, что развитие системы физического образования привело к появлению учебной физики как дидактической модели физической науки; в области применимости этой модели учебная теория и учебный эксперимент взаимодействуют подобно взаимодействию теории и эксперимента в физической науке; относительная самостоятельность учебной физики обеспечивает объект исследования, который представляет научно-практический интерес для учителя, доступен учащимся и позволяет организовать процесс научного познания при обучении, приводящий подобно научному познанию в физической науке к объективно новым результатам.

Концепция исследования (концепция организации процесса научного познания в современной системе физического образования) может быть сформулирована следующим образом.

1. В основе методики организации процесса научного познания при обучении лежит сформулированный В.Г.Разумовским принцип цикличности, однако реально научное познание осуществляется преимущественно в теории или в эксперименте, поэтому наряду с ним необходимо использование более простых моделей типа: факты —> модель —> следствия и условия —> результат ——> анализ.

2. Физическая теория и физический эксперимент не находятся в иерархическом отношении, они равноправны, поэтому в обучении физике необходимо добиваться этого равноправия, повсеместно используя в качестве наиболее доступного метод экспериментальных доказательств.

3. Исследования учащихся и учителя могут приводить к объективно новым результатам в области учебной физики при условии, если они имеют целостное представление о содержании и структуре дидактики физики, ее связях и взаимодействиях с другими науками.

Это представление должно быть модельным, отличаться максимальной простотой и доступностью с тем, чтобы формирование его не требовало значительных временных и интеллектуальных затрат, отвлекающих от предмета исследований.

4. В процессе научного познания центральным является понятие новизны, поэтому необходим обоснованный критерий новизны элемента учебной физики, на основе которого экспертным методом могут быть получены количественные оценки.

5. Новый элемент учебной физики действительно может быть эффективно использован в рамках существующей системы физического образования для обогащения ее содержания, расширения кругозора и познавательного интереса учащихся, углубления их физических знаний, овладения ими методом научного познания, становления и развития личности учащихся, если его учебная физическая теория (УФТ) и учебный физический эксперимент (УФЭ) характеризуются достаточно высокими значениями учебности — параметра, определяемого тем, что • новые теория и эксперимент необходимы в учебном процессе, то есть научны и фундаментальны или интересны учащимся, • изучение теории и эксперимента возможно в условиях существующей системы физического образования, то есть они безопасны, дидактичны и доступны, • учебная теория и учебный эксперимент разработаны достаточно, то есть в демонстрационном, индивидуальном и самостоятельном вариантах, а методика изучения этого элемента обладает достаточно высоким значением эффективности — параметра, определяемого тем, что в реальном учебном процессе учащимися усвоены • учебная физическая теория, то есть ее факты, модель и следствия, • учебный физический эксперимент, то есть его условия, результат и анализ.

6. Появление новых элементов учебной физики — не стихийный, а закономерный процесс, поэтому осознанное применение определяющих его сущность законов будет способствовать научному познанию в области учебной физики.

7. Овладение теорией научного познания и законами дидактики физики не гарантирует успешности научного познания. Научиться исследованию можно только на конкретных примерах, сначала полностью повторяя уже выполненные исследования и подтверждая полученные в них результаты, затем внося в известные исследования элементы новизны и, наконец, осуществляя вполне самостоятельные исследования. Поэтому методика организации процесса научного познания при обучении должна опираться на совокупность вновь созданных элементов учебной физики, конкретные описания которых в доступной для учителя и ученика литературе и иных информационных системах совершенно необходимы.

8. Наиболее эффективное овладение основами научного познания и развитие творческих способностей учащегося обеспечивается в процессе совместного научного познания учителя и ученика, который при достаточной квалификации учителя происходит одновременно с традиционным учебным процессом и параллельно ему без дополнительных материальных и временных затрат.

Объектом исследования являются содержание и методы физического образования в средних общеобразовательных и высших педагогических учебных заведениях.

Предметом исследования являются учебная физика и конкретные ее элементы в механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике как основа организации процесса научного познания их учащимися.

Цель исследования — совершенствование методики организации процесса научного познания при обучении физике путем разработки теоретических и экспериментальных основ современной учебной физики, создания новых элементов и разделов учебной физики, внедрения их в существующую систему физического образования.

Гипотеза исследования включает следующие положения.

1. Процесс учения отличается от процесса обучения тем, что он индивидуален. Научным методом познания и методами исследования ученик овладевает в самостоятельной деятельности. Наиболее эффективна совместная исследовательская деятельность учителя и ученика, направленная на получение новых результатов в дидактике физики.

2. Познавательная деятельность учащегося в сущности такая же, как ученого-исследователя, то есть осуществляется по известному циклу: факты —i модель —> следствия —> эксперимент. Отличается она лишь интеллектуальной облегченностью и временной сокращенностью благодаря использованию специально подготовленных в результате дидактического исследования элементов физической науки. Такие элементы, необходимые и достаточные для организации самостоятельной познавательной деятельности учащегося, образуют основное содержание учебной физики.

3. Завершенный элемент учебной физики в принципе позволяет учащемуся в условиях исследовательской деятельности полностью овладеть методом научного познания, поскольку:

• он включает учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения;

• в нем учебная теория и учебный эксперимент взаимодействуют подобно взаимодействию теории и эксперимента в физической науке;

• его методика гарантирует усвоение не только учебной теории, учебного эксперимента, но и методологии физической науки;

• его относительная самостоятельность предполагает выбор предмета исследования в соответствии с интересами ученика и учителя;

• его доступность обеспечивает получение нового результата в самостоятельном исследовании учащегося.

Исходя из концепции, цели и гипотезы исследования, поставлены задачи:

1. Изучить теоретические основы и особенности реализации дидактической модели процесса научного познания учащимися при обучении физике.

2. Определить содержание, структуру и место учебной физики в дидактике физики как объекта учебного исследования, обеспечивающего совершенствование методики организации для учащихся процесса научного познания.

3. Исследовать возможность построения дидактических моделей, обеспечивающих научное познание при создании, оценке и внедрении новых элементов учебной физики в современную систему физического образования.

4. Выявить закономерности создания и совершенствования новых элементов учебной физики и обосновать их решением актуальных проблем обучения механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике.

5. Показать возможность создания и использования новых элементов учебной физики с целью экспериментального доказательства существования физических явлений, функциональных зависимостей, значений физических констант, обоснования физических теорий.

6. Разработать конкретные методики применения предлагаемых элементов учебной физики в рамках существующей системы физического образования для организации процесса научного познания учащимися.

7. В педагогическом эксперименте, организованном в условиях учебного процесса средней и высшей школы, курсов повышения квалификации учителей, ежегодной научной конференции, издания периодических сборника научных трудов и научно-практического журнала, произвести экспертную оценку новых элементов учебной физики.

8. Внедрить новые элементы учебной физики в реальный учебный процесс средней школы и педагогического института; в обучающем педагогическом эксперименте доказать эффективность методики их изучения и научного познания.

9. Доказать возможность и целесообразность создания новых элементов учебной физики в совместном творчестве учителя и ученика в условиях существующей системы физического образования.

Методологическая основа исследования определяется поставленными целью и задачами;

она строится на разработанных в психолого-педагогической науке дидактических теориях и моделях уровней обученности, общих принципах дидактики, методологических принципах физики, общепринятых концепциях дидактики физики, методах педагогической квалиметрии, достижениях и тенденциях развития общей и частных дидактик физики.

Методы исследования, использованные при решении поставленных задач: а) теоретический анализ проблемы на основе изучения и анализа психолого-педагогической, методической, физической и специальной технической литературы; б) анализ школьных и вузовских программ, учебников и учебных пособий, а также прктического опыта преподавания физики;

в) теоретическое исследование проблемы с целью построения учебной теории новых элементов учебной физики; г) теоретическое и экспериментальное исследование новых учебных опытов, опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных физических приборов и экспериментальных установок; д) специальные методы создания программного продукта для компьютерного моделирования физических явлений; е) педагогический эксперимент в форме экспертной оценки, реального использования новых педагогических технологий в учебном процессе и совместного творчества учителя и ученика; ж) статистическая обработка результатов педагогического эксперимента с целью выявления эффективности предлагаемых методик.

Научная новизна исследования заключается в том, что • впервые создана научная концепция, позволяющая решить проблему организации процесса научного познания в современной системе физического образования;

• впервые предложена и всесторонне обоснована концепция учебной физики как структурной составляющей дидактики физики, в свою очередь состоящей из целостных элементов, в которых в органическом единстве взаимодействуют учебная физическая теория, учебный физический эксперимент и методика их изучения;

• созданы новые элементы учебной физики, интегрированные в современную систему физического образования и обеспечивающие организацию процесса научного познания учащимися при изучении механики, молекулярной физики, электродинамики, оптики и квантовой физики;

• созданы новые разделы учебной физики, специально предназначенные для организации исследовательской деятельности учащихся по научному познанию физических явлений кумулятивного эффекта, акустики, гидро- и аэроакустики, ультраакустики, полного внутреннего отражения, градиентной оптики, голографии и др.

Теоретическая значимость полученных результатов определяется тем, что дальнейшее развитие теории организации процесса научного познания при обучении физике предполагает сохранение в качестве инвариантного ядра введенных и обоснованных в настоящем исследовании: а) фундаментального системообразующего в дидактике физики понятия учебной физики с его объемом и содержанием; б) дидактических моделей учебной теории, учебного эксперимента и методики их изучения; в) дидактических параметров учебности теории, эксперимента и эффективности методики, методов их количественной оценки; г) законов создания новых элементов учебной физики. Концепция исследования дает возможность выделить в курсах физики две категории элементов учебного материала:

1) допускающие научное познание при обучении физике; 2) не допускающие научное познание, следовательно, сообщаемые лишь с целью повышения осведомленности учащихся.

Практическая значимость исследования заключается в возможности использования теоретических результатов для: а) осуществления новых исследований в дидактике физики;

б) создания новых элементов учебной физики и эффективного внедрения их в систему физического образования; в) совершенствования содержания и методики учебных занятий по физике в средней и высшей школах; г) создания новых методических рекомендаций, учебных пособий, учебного оборудования, включающего приборы и экспериментальные установки, совершенствованя существующих учебников, задачников и практикумов по физике; д) разработки систем творческих заданий для учащихся; е) разработки программ новых спецкурсов, спецсеминаров, практикумов для учащихся, студентов и учителей.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечены: а) всесторонним анализом проблемы исследования; б) применением разработанных методик, адекватных целям проведенного исследования; в) реальным созданием новых элементов учебной физики в соответствии с концепцией исследования; г) длительностью педагогического эксперимента, контролируемостью его условий и повторяемостью результатов, соблюдением основных дидактических требований по его организации; д) применением методов математической статистики при обработке результатов педагогического эксперимента.

Критерии эффективности предлагаемых методик:

• полнота сформированности основных понятий, содержание и характер знаний учащимися теоретических и экспериментальных основ новых элементов учебной физики, уровень исследовательских умений, степень владения методом научного познания физических явлений ноосферы;

• умения и навыки учащихся определять условия, наблюдать результат, проводить анализ субъективно нового учебного эксперимента, способности к самостоятельной постановке известных и разработке новых экспериментов в учебной физике, умения оформлять выполненную работу, докладывать и обсуждать полученные в ней результаты. На защиту выносятся следующие положения.

1. Предложенные в настоящем исследовании теоретическая концепция учебной физики, дидактические модели учебного физического эксперимента, учебной физической теории, методики их изучения, а также параметры новизны, учебности и эффективности позволяют реализовать целостный подход в разработке конкретных проблем содержания физического образования, направленный на совершенствование процесса научного познания учащимися при обучении физике.

2. Предлагаемые учебные теории адекватны научным и обеспечивают разноуровневое научное познание новых элементов учебной физики в существующей системе физического образования. Разработанный учебный физический эксперимент обеспечивает проведение демонстрационных, индивидуальных и самостоятельных занятий учащихся по изучению явлений механики, молекулярной физики, электродинамики, оптики и квантовой физики.

Рекомендуемые методики изучения новых элементов учебной физики доступны учителям физики средних учебных заведений гуманитарного, базового, углубленного профилей и при использовании в обучении эффективно способствуют усвоению учащимися современных методов научного познания.

Логика исследования включает следующие этапы.

Первый этап (1965-1974 гг.) характеризуется выбором проблемы исследования. Изучение литературы по учебному физическому эксперименту показало, что волновая физика недостаточно обеспечена учебным экспериментом, а известный эксперимент часто недоступен для использования в учебном процессе. Выявлены основные направления исследования: учебные модели волновой оптики, акустики и ультраакустики. Намечен единый подход к изучению волновых явлений разной природы. Осознана принципиальная необходимость одновременной разработки учебной теории, учебного эксперимента и методики их применения как основы организации процесса научного познания учащимися.

Оформилась методическая концепция экспериментального доказательства. Создан научнометодический семинар студентов и преподавателей Глазовского пединститута, определяющий совместные исследования учителя и учащегося. Активно ведется работа в общегородском семинаре учителей физики. Опубликована монография [1], в которой предложена новая методика изучения интерференции света в школе.

Второй этап (1975-1984 гг.) определялся главным образом экспериментальными и теоретическими исследованиями конкретных проблем учебной физики в средней школе и педагогическом институте. На этом этапе методом совместного творчества была осуществлена масштабная по тем временам работа по созданию новых учебных опытов по механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике, их систематизации, разработке простейших доступных для учащихся вариантов. Наряду с учебным экспериментом разрабатывалась учебная теория. Опробовались различные формы изложения учебного материала, в том числе в виде заданий творческого характера для учащихся и учителя. Итогом этого этапа явились монографии по ультраакустике [2, 4] и градиентной оптике [3]. Полностью оформились методические концепции основных явлений волновой физики и визуализации физических явлений в учебном эксперименте. На базе научно-методического семинара создано Студенческое конструкторское бюро.

Теоретические идеи обсуждаются на курсах повышения квалификации учителей.

Третий этап (1985-1994 гг.) посвящен разработке и внедрению новых элементов учебной физики. Исследуются проблемы изучения голографии, гидродинамики, акустики и других разделов. Совершенствуются традиционные и разрабатываются новые спецкурсы, создаются новые учебные лаборатории. Полученные результаты обобщены в монографиях по струям и звуку [5], полному отражению света [ 6 ] и кумулятивному эффекту [ 7 ], в которых найденная форма изложения учебного материала, реализующая дидактическую модель цикла научного познания в применении к учебной физике, получила дальнейшее развитие.

Совершенствуются и разрабатываются новые конкретные методики изучения явлений механики, гидродинамики, физики упругих и электромагнитных волн, волновой оптики, физических основ голографии и др. С целью обеспечения научных исследований и внедрения их результатов создано инновационное предприятие " Аргон". Студенческое конструкторское бюро преобразовано в Учебно-исследовательскую лабораторию.

Четвертый этап (1995-2000 гг ) связан с завершением разработки дидактических моделей эксперта, учебной теории, учебного эксперимента. Оформляется концепция учебной физики, как дидактической модели физической науки. В рамках учебной физики определенное место заняли разработанные элементы и разделы.

Проанализированы результаты экспериментального обучения в условиях реального учебного процесса. Проведены экспертные оценки, завершены частные педагогические эксперименты.

Многолетним опытом доказана необходимость и целесообразность включения в систему обучения новых элементов учебной физики по механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике, доступность и надежность основного физического эксперимента в этой области. Теоретические идеи исследования реализованы при организации ежегодной научно-практической конференции федерального уровня "Школьный физический эксперимент: Проблемы и решения", издании периодического сборника научных трудов "Проблемы учебного физического эксперимента" (начало издания 1995 г.) и научно-практического журнала "Учебная физика" (выходит с 1997 года).

Апробация и внедрение результатов исследования.

1. Результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях научнометодического семинара "Учебный эксперимент по физике" и итоговых научных конференциях профессорско-преподавательского состава Гла-зовского пединститута (1971гг.), рассматривались на совещаниях и заседаниях секции учителей физики Глазова (1972-81 гг.), анализировались на занятиях курсов повышения квалификации учителей Удмуртии (1975-2000 гг.), рассматривались, докладывались и обсуждались на зональных совещаниях и конференциях по проблемам преподавания физики в Тюмени (1971 г.), Магнитогорске (1972 г.), на 24 и 35 "Герценовских чтениях" в ЛГПИ им. А. И. Герцена (1971, 1982 гг.), на научных конференциях международного и российского уровней в Москве (1978, 1980, 1991, 2000 гг.), С.Петербурге (1999 г.), Глазове (1995-2000 гг.), Ижевске (1982, 1995 гг.), Екатеринбурге (1996, 1999 гг.), Н. Новгороде (2000 г.), Кирове (1997, 1998 гг.) и за рубежом в Шопроне (Венгрия, 1997 г.) и Дуйсбурге (Германия, 1998 г.).

2. Разработанные в результате исследования новые элементы учебной физики опубликованы издательством "Наука" массовым тиражом в форме, доступной учащимся, учителям и преподавателям физики [2, 3, 5, 6, 7]. Новые физические приборы, комплекты приборов и экспериментальные установки пять раз экспонировались на ВДНХ СССР и отмечены бронзовыми, серебряной и золотыми медалями [224-228], несколько разработок представлялись на Всероссийских и Всесоюзных выставках и конкурсах и также отмечены наградами. Цикл работ "Система индивидуального учебного эксперимента по физике", завершенный в 1998 году, удостоен Государственной премии Удмуртской республики в области науки и техники.

3. Теоретическая концепция составила основу хоздоговорных работ с Гла-зовским техническим колледжем (1983, 1991 гг.), Глазовским гороно (1995-97 гг.), Глазовским филиалом Ижевского технического университета (1993-98 гг.), средними школами №№ 13 и 15 Глазова, а также исследования "Региональная программа непрерывного физического образования" (1995-97 гг.) по заказу Министерства народного образования Удмуртской республики.

4. Новые экспериментальные результаты внедрены в практику обучения путем мелкосерийного производства физического оборудования и реализации его учебным заведениям страны. К нему относятся отдельные приборы: дифракционный измеритель длины световой волны, набор топографических дифракционных решеток, набор учебных голограмм, учебный дифракционный спектроскоп, дидактические материалы на основе фотографий волновых полей, оптические световоды, градиентная линза, колебательные контуры (суммарно более 1000 экземляров); комплекты приборов для учебных опытов по механике, акустике, электромагнитным волнам, поляризации света, с инфракрасными лучами, голографии, эффекту Доплера, для измерения малых промежутков времени (всего более 100 комплектов). Среди пользователей разработанного оборудования Кемеровский, Пермский, Удмуртский госуниверситеты, Уральский, Ижевский технические университеты, Екатеринбургский, Вятский педагогические университеты и другие высшие и средние учебные заведения России.

5. В настоящее исследование входят 228 опубликованных работ, из них 7 монографий, учебных пособий, 6 патентов на изобретения, 5 проспектов экспонатов на ВДНХ СССР, депонированных рукописей, 149 статей и 31 тезис докладов.

Структура диссертации. Суть современного научного метода познания в его модельности.

Вначале происходит накопление и осмысление фактов, затем внезапно появляется модель, логическим путем из нее выводятся следствия, которые проверяются экспериментально.

Модель позволяет не только объяснить известную совокупность фактов, но и предвидеть новые. Модель лишь приближенно отражает свойства исследуемого объекта или явления, имеет область и границы рационального применения.

Эти общие соображения определяют структуру настоящей диссертации. Первая глава посвящена дидактическим моделям, составившим основу исследования. Во второй главе изложены результаты создания новых элементов учебной физики, которые фактически являются теоретическими следствиями моделей. Наконец, в третьей главе описан дидактический эксперимент, подтверждающий следствия и тем самым обосновывающий справедливость представленных в первой главе моделей.

Разработанные в ходе исследования новые элементы относятся ко всем разделам учебной физики и довольно многочисленны. Детальное представление каждого из них приведет к значительному увеличению объема текста. Поэтому мы выбрали в качестве основного фактического материала тот, который относится к физической оптике, и лишь в отдельных случаях столь же подробно рассматриваем элементы, относящиеся к другим разделам учебной физики. Все остальные элементы кратко характеризуются и сопровождаются ссылками на наши опубликованные работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии, включающей источника (из них 22 иностранных); она содержит 409 страниц текста, 143 рисунка и таблиц.

Первая глава "Дидактические модели исследования" посвящена рассмотрению принципа цикличности в качестве основы дидактической модели процесса научного познания учащихся, анализу содержания, структуры и места учебной физики в дидактике физики и конструированию дидактических моделей.

Исходными являются простейшая математическая модель переходного процесса и связанная с ней трехранговая трехзвенная иерархическая структура [19]. Конструируются модели дидактики физики, учебной физики, параметра учебности [119, 121, 124, 207] и кратко рассматриваются способы их применения. Особо подчеркивается, что предложенные модели обоснованы эвристическими рассуждениями, носят ограниченный и в границах своей применимости приближенный характер.

Проведенный в главе теоретический анализ показывает, что дидактика физики включает учебную физику, методы обучения и учебную деятельность, причем дидактические модели элементов физической науки входят в учебную физику. В свою очередь элементы учебной физики содержат учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения. В элементе учебной физики теория, эксперимент и методика взаимодействуют в органическом единстве так, что правильность учебной теории подтверждается учебным экспериментом, достоверность учебного эксперимента обеспечивается учебной теорией, а методика позволяет реализовать научное познание учащимися теории, эксперимента и их взаимодействия. Дано определение дидактики физики как педагогической науки о закономерностях обучения основам физики, представляющей собой целостную систему, в которой исследуется взаимодействие учащегося, учителя и физических знаний. Отсюда учебная физика — это приспособленная для изучения физических основ явлений природы дидактическая модель физической науки [121].

Эвристическими рассуждениями обоснована математическая модель переходного процесса в дидактике физики и на ее основе построены дидактические модели эксперта, учебной физики, учебной физической теории, учебного физического эксперимента, параметра учебности. Предложена и обоснована процедура, позволяющая количественно оценить учебность и новизну исследуемых элементов учебной физики, а также эффективность методики их изучения.

В качестве примеров в главе проанализированы методика формирования представления о геометрической оптике как предельном случае волновой, общий подход к изучению физической оптики в школе, изучение принципа Гюйгенса, физические ошибки в методических исследованиях [89], дидактическое исследование научного эксперимента с целью создания учебного, необходимость новой методики изучения дифракционной решетки [129, 206].

Сформулированный более 30 лет назад В.Г.Разумовским принцип цикличности остается единственной теоретической основой организации процесса научного познания при обучении физике. Однако признание этого обстоятельства еще не обеспечивает действительное использование его на практике. Поэтому особый интерес представляет не общая формулировка и теоретический анализ принципа цикличности, а конкретная реализация содержания этого принципа в современной системе физического образования. В соответствии с этим принципом при обучении должно быть обеспечено органическое единство физической теории и физического эксперимента. Анализ учебной и методической литературы показывает, что такое единство далеко не всегда достигается на практике. Это объясняется тем, что физическая наука не содержит готовых элементов, которые непосредственно могли бы быть использованы в качестве содержания при обучении физике подрастающего поколения.

Отсюда следует, что необходимы специальные дидактические исследования элементов физической науки с целью преобразования их в пригодные для обучения. При отсутствии такого дидактического исследования или его незавершенности получаются элементы учебного материала, противоречащие принципу цикличности, то есть не только не способствующие научному познанию при обучении, но и прямо препятствующие ему.

Вторая глава "Новые элементы учебной физики для методики организации процесса научного познания" начинается с рассмотрения закономерностей процесса создания этих элементов. Обоснован тезис, что основными законами дидактики физики как науки являются те, которые раскрывают суть процесса создания и непрерывного совершенствования ее содержательных элементов, относящихся к учебной физике, и даны формулировки этих законов [146, 214, 215].

Закон создания. Новый элемент дидактики физики возникает в результате дидактического исследования элемента физической науки, относится к учебной физике и представляет собой учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику изучения физических явлений ноосферы.

Закон совершенствования. Известный элемент дидактики физики совершенствуется при дидактическом исследовании, которое приводит к уменьшению временных, материальных и интеллектуальных затрат, необходимых для усвоения этого элемента данным поколением учащихся, то есть повышению эффективности методики, росту учебности теории и эксперимента.

Закон завершенности. В любом полном завершенном элементе дидактики физики учебная физическая теория обоснована учебным физическим экспериментом и в области своей применимости полностью объясняет результаты всех учебных физических экспериментов, а методика обеспечивает изучение этого элемента в рамках существующей системы физического образования.

Справедливость сформулированных законов обосновывается созданными в соответствии с ними новыми элементами учебной физики, которые здесь кратко перечисляются.

1. МЕХАНИКА.

1.1. Кинематика.

1.1.1. Измерение времени в опытах по механике [9, 13,123, 143]. Разработан учебный комплект приборов для измерения и регистрации малых промежутков времени в диапазоне от единиц микросекунд до сотен секунд. Комплект включает стабильный генератор высокочастотных импульсов, счетчик импульсов, ключевое устройство, систему датчиков и цифровой индикатор. Конструкция комплекта такова, что его могут собрать учащиеся даже в домашних условиях. Приборы комплекта обеспечивают измерение времени во всех экспериментах, в которых начало и конец временного промежутка задаются электрическими импульсами, полученными посредством контактных и бесконтактных датчиков. Предложен компьютерный вариант измерителя времени.

1.1.2. Траектории с временными метками [159]. Для изучения движения тела необходима полная система отсчета, включающая тело отсчета и часы. С телом отсчета связывают систему координат, отградуированную в единицах длины, часами может быть любой периодический процесс, отградуированный в единицах времени. В качестве реальной системы отсчета мы предложили электропроводный плоский лист с черной поверхностью, равномерно покрытый белым диэлектрическим порошком. Лист подключен через разделительный конденсатор к фазовому проводнику сети. По листу осуществляется движение тела (пальца демонстратора), соединенного с землей. В результате остается траектория движения с временными метками, причем промежуток времени между соседними метками равен 0,01 с.

1.2. Динамика.

1.2.1. Измерение ускорения [92, 95]. Разработан поплавковый акселерометр, обеспечивающий надежное измерение ускорения в демонстрационных и индивидуальных опытах учащихся. Если сосуд с жидкостью, внутри которой находится всплывающий и удерживаемый нитью поплавок, движется в горизонтальном направлении с ускорением а, то нить отклоняется в направлении движения на угол а, для которого tga = а/д = 1/L, где д — ускорение свободного падения, / — смещение точки пересечения нити с горизонтальной линией, L — расстояние от точки крепления нити поплавка до указанной линии. При L = 9, см сантиметровые деления вдоль указанной линии соответствуют ускорениям, кратным м/с2. Прибор позволяет осуществить экспериментальную проверку второго закона Нютона, исследовать вращательное движение, изучить колебательное движение, скольжение по наклонной плоскости и т. д. Акселерометр отличается максимальной простотой и доступностью, он обладает качествами, которых не имеют более сложные в изготовлении аналоги: эффективным демпфированием, абсолютной шкалой и совпадением показаний с направлением ускорения.

1.2.2. Сила Архимеда в неинерциальной системе отсчета [91]. Силу Архимеда в курсах общей физики обычно изучают без демонстраций, полагая, что все они ставятся в школе.

Однако, если перейти в неинерциальную систему отсчета, то физическая сторона явления значительно обогатится, а соответствующая демонстрация вызовет несомненный интерес аудитории. Согласно принципу эквивалентности гравитационное поле эквивалентно движению с ускорением, равным по модулю и направленным противоположно ускорению свободного падения. Поэтому в неинерциальной системе отсчета сила Архимеда направлена противоположно результирующему ускорению — сумме ускорений свободного падения и движения системы отсчета. Предлагаются учебные опыты, демонстрирующие явление.

1.2.3. Движение центра масс [185] можно продемонстрировать самыми различными способами. Мы предлагаем демонстрировать это явление посредством простого прибора, состоящего из легкого кольца и массивного маятника; дана элементарная теория, описан соответствующий эксперимент.

1.2.4. Поверхность жидкости в условиях невесомости [7, 126]. Из повседневного опыта учащиеся знают, что в достаточно широком сосуде жидкость имеет плоскую поверхность, слегка искривленную вблизи стенки за счет поверхностного натяжения. Для наблюдения поверхности жидкости в условиях невесомости предлагается использовать прозрачный сосуд с водой, который, падая, в определенный момент освещается кратковременной вспышкой света. Разработан также модельный эксперимент явления.

1.2.5. Упругий и неупругий удары [80, 221] отличаются тем, что в последнем кинетическая энергия переходит во внутреннюю энергию взаимодействующих тел. Предложен специальный прибор "волшебная палочка", представляющий собой тонкостенную легкую трубку, перекрытую двумя резиновыми пробками, со свинцовым грузом, удерживаемым трением, внутри. Прибор позволяет не только эффектно продемонстрировать различие между упругим и неупругим ударами, но и доказать, что при упругом ударе препятствие получает импульс, в два раза больший, чем при неупругом.

1.2.6. Реакция вытекающей и втекающей струй [170]. В учебной физике рассматривается реакция, как правило, только вытекающей струи. Теория явления, наблюдаемого при втекании струи в сосуд, построена Н. Е. Жуковским. Мы разработали простой и доступный эксперимент, демонстрирующий реакцию втекающей и вытекающей струй.

1.2.7. Автоматический сифон [161]. В механике сифон изучают в связи с неразрывностью жидкости. Мы нашли малоизвестную техническую конструкцию и на ее основе разработали доступную модель автоматического сифона, поднимающего жидкость выше ее уровня.

1.2.8. Механические свойства циклоиды [34, 110, 136, 218]. Несмотря на то, что изучению движения тел по циклоидальным и иным горкам посвятили исследования такие великие физики, как Галилей, Гюйгенс, Бернулли, в современных курсах физике эти явления, как правило, не рассматриваются. Мы предлагаем учебную теорию для научного познания учащимися брахисто-хронных и таутохронных свойств циклоиды, оптико-механической аналогии, принципов Ферма и Гамильтона. Разработаны учебные приборы, обеспечивающие в демонстрационных, лабораторных и самостоятельных экспериментах подтверждение теоретических выводов.

1.2.9. Экспериментальное изучение вращения тела в вязкой среде [86, 142, 222]. Известные демонстрации существования сил вязкого трения, а также лабораторные работы по изучению движения тела в вязких средах не позволяют количественно исследовать изменения кинематических параметров движения тела с течением времени, зависимость силы вязкого трения от скорости движения. В основе предлагаемой лабораторной работы лежит идея, что изучение кинематических характеристик движения в среде с трением наиболее удобно осуществлять при вращательном движении, так как в этом случае тело может совершать значительные перемещения при небольших размерах установки. Разработана простая демонстрация зависимости силы сопротивления от скорости движения.

1.3. Гидродинамика.

1.3.1. Неустойчивость жидкой струи в газе [162, 163, 166; 5, с. 26-31]. Совместно с В. А.

Сараниным разработан учебный вариант теории Рэлея распада жидкого цилиндра на капли, показывающий, что если длина волны А возмущения на цилиндре удовлетворяет условию А > 2тгго, то цилиндр неустойчив и обязательно распадется на отдельные капли, причем с максимальной скоростью растет волна с Хт = %/12тгго, где г0— радиус невозмущенного цилиндра. Предложены простые опыты, иллюстрирующие неустойчивость жидкого цилиндра. Описаны эксперименты по исследованию струи воды в воздухе, влиянию звука на струю, стробоскопическим наблюдениям струи, по изготовлению и применению электронного стробоскопа, измерению частоты вспышек стробоскопа, рассмотрен демонстрационный вариант этих опытов. Предложены струйный усилитель звука и струйный генератор звука. Рассмотрены капиллярные волны на струе, приводящие к ее распаду на капли.

1.3.2. Неустойчивость жидкой струи в жидкости [ 173; 5, с. 56-62]. Рассмотрены ламинарное и турбулентное течения жидкости в струе, описана оригинальная демонстрационная установка, предложены опыты по строению жидкой струи, чувствительности струи к возмущениям, моделированию смерча.

1.3.3. Неустойчивость струи газа в газе [5, с. 62-69]. Разработаны опыты, позволяющие наблюдать и иссследовать строение газовой струи, осуществлять визуализацию струи воздуха пламенем, мыльной пленкой, поверхностью жидкости. Возрождены широко использовавшиеся в исследованиях 19 века и полузабытые опыты с чувствительным пламенем: предложен доступный вариант, допускающий постановку опытов в домашних условиях.

1.3.4. Гидродинамические излучатели звука [ 174; 5, с. 75-87]. Явления гидро- и аэроакустики практически не изучаются в курсах физики, хотя и встречаются на каждом шагу. Разработаны элементарная теория и эксперименты, позволяющие изучить клиновый тон, автоколебания в потоке воздуха, воздушный свисток, ультразвуковой свисток, получение эмульсий при облучении жидкостей ультразвуком.

1.3.5. Гидродинамический удар [7, с. 25-31]. Общеизвестно, что "капля камень долбит".

Обычно этот эффект объясняют явлением гидродинамического удара. Рассмотрена учебная теория этого явления и показано, что гидродинамическим ударом эффект дробления каплей твердого тела объяснить нельзя.

1.3.6. Кумулятивные струи жидкости [7, с. 9-25]. Учащиеся, встречаясь в повседневной жизни с различными струями жидкости, обычно не представляют, что часто они возникают за счет кумулятивного эффекта. В простых наблюдениях и опытах можно изучить явление набегания струи на плоское препятствие, измерить скорость образующейся струи, познакомиться с плоской и цилиндрической кумулятивными струями.

1.3.7. Наблюдение и исследование быстропротекающих процессов [7, с. 59-86]. В силу инерционности зрительного ощущения быстропротекающие процессы типа образования кумулятивных струй жидкости непосредственно не воспринимаются органами чувств человека. Однако, если в нужный момент времени будет произведена достаточно яркая вспышка света, на мгновение освещающая исследуемый процесс, то в силу той же инерционности зрительного ощущения глаз на определенное время запомнит возникшее на его сетчатке изображение. Эта идея может быть положена в основу метода наблюдения кратковременных явлений.

Разработана функциональная схема фотографирования и наблюдения быстропротекающих процессов. Предложена методика, техника и технология самостоятельного изготовления экспериментальной установки, включающей электронное реле, реле времени, устройство мгновенного освещения лампой накаливания, устройство питания импульсной лампы, схему управления запуском импульсной лампы, импульсную лампу с устройством временной задержки и устройство бесконтактного управления запуском импульсной лампы. В дальнейшем разработано электронно-цифровое устройство для наблюдения и фотографирования быстропротекающих процессов, описание которого пока не опубликовано.

1.3.8. Кумулятивный всплеск [7, с.87-117]. Падающее на поверхность жидкости твердое тело или упавшая капля порождают всплеск, который представляет собой кумулятивную струю.

Предложена учебная теория, позволяющая получить количественные оценки высоты кумулятивной струи, образующейся при схлопывании полусферического и конического углублений в поверхности жидкости. Разработана экспериментальная установка, обеспечивающая детальное исследование всех стадий образования и схлопывания углубления, а также появления и распада кумулятивной струи. Исследованы растекание упавшей капли по поверхности кумулятивного углубления, влияние деформации кумулятивного углубления на струю, всплеск при падении твердого шарика в жидкость, влияние смачивания поверхности шарика.

1.3.9. Кумулятивная струя из схлопнувшегося углубления [156; 7, с. 118-145]. Кумулятивные струи возникают при быстром схлопывании любого углубления в поверхности жидкости.

Одним из хорошо известных является опыт Г. И. Покровского по образованию кумулятивной струи из упавшей пробирки. Показано, что данное автором объяснение этого явления ошибочно. Разработана учебная теория, обоснованная соответствующим учебным экспериментом. Предлагается учебное исследование формы поверхности жидкости в падающей пробирке и процесса возникновения струи из пробирки. Описан опыт по образованию кумулятивного углубления воздушной струей. Предложен оригинальный способ возбуждения повторяющихся кумулятивных струй в стеклянной трубке, открытым концом погруженной в сосуд с жидкостью, по резиновой пленке, перекрывающей второе отверстие трубки, которой производится кратковременный удар. Предлагается учебное исследование этого явления.

1.3.10. Электрическая модель кумулятивного заряда [29; 7, с. 146-167]. В учебных опытах можно исследовать не только явление возникновения кумулятивной струи, но и процесс пробивания кумулятивной струей препятствия. Предлагается учебный эксперимент, в котором осуществляется электрическая модель взрыва, обнаруживается ударная волна при электрическом разряде, моделируется взрыв под водой, ставится опыт по кумуляции энергии подводного взрыва и, наконец, на физической модели качественно исследуется явление пробивания препятствия кумулятивной струей.

1.4. Колебания.

1.4.1. Колебания и автоколебания [8, 22, 77, 97, 220]. Разработаны демонстрации изменения периода колебаний ускоренно движущегося маятника, маятников, связанных посредством магнитного поля, модели продольной и поперечной волн на основе связанных магнитным полем маятников, электронно-механической автоколебательной системы, колебаний ножек камертона.

1.4.2. Маятник Капицы. Предложены оригинальная конструкция и учебная теория маятника Капицы, позволяющие помимо основного эффекта устойчивости перевернутого маятника с вибрирующим подвесом изучить автоколебательное и вращательное движения системы.

1.4.3. Нелинейные и хаотические колебания [149]. Нелинейные колебания демонстрируются посредством перевернутого магнитного маятника, находящегося в магнитном поле. Для изучения хаотических колебаний предлагается автоколебательная система, состоящая из сдвоенного маятника на магнитных подвесах, нескольких магнитов, создающих потенциальные ямы, и электронного движителя.

1.5. Физические основы акустики 1.5.1. Основные явления акустики [2, с. 68-69, 199]. Разработана система учебного физического эксперимента по изучению явлений излучения, распространения, затухания звука, Доплера, интерференции звуковых волн, переноса энергии звуковым импульсом, дисперсии звуковых волн, радиационному давлению, дифракции, отражению и прохождению звука.

1.5.2. Явление Доплера [33, 74, 79, 193]. Показано, что традиционная демонстрация эффекта Доплера, основанная непосредственно на слуховом ощущении, малоубедительна.

Предложены демонстрационные приборы, обеспечивающие объективное обнаружение доплеровского смещения частоты. Разработана оригинальная установка для количественного эксперимента в лабораторных условиях.

1.5.3. Дисперсия звука [87,198, 219]. Построена учебная теория дисперсии звуковой волны в искусственной среде из акустических резонаторов, разработан соответствующий учебный эксперимент. Впервые обеспечена возможность физического моделирования теории дисперсии света.

1.5.4. Измерение скорости звука импульсным методом [13, 75, 194, 197]. Предложен комплект приборов по измерению скорости звука в воздухе (жидкости, твердом теле) импульсным электронно-цифровым методом. Описан ряд опытов, в том числе по исследованию температурной зависимости скорости звука в воздухе.

1.5.5. Принцип Ферма [88, 201] относится к фундаментальным принципам физической науки. Однако экспериментальное обоснование его в учебной физике отсутствует. Впервые предложен учебный эксперимент, подтверждающий справедливость принципа Ферма для звуковых волн.

1.6. Физические основы ультраакустики.

1.6.1. Получение непрерывной ультразвуковой волны [2, с.7-67; 46, 48, 53, 58, 59, 66, 189].

Дана учебная теория по введению величин, характеризующих упругую волну. Ультразвук физически ничем не отличается от звука — это тоже упругая волна, существующая в упругой среде, но такая, которая непосредственно не воспринимается органом слуха человека, характеризуемого верхним порогом 20 кГц. Поэтому для возбуждения ультразвука необходимы специальные излучатели. Наиболее удобны электромеханические преобразователи, в которых используются пьезоэлектрический и магнито-стрикционный эффекты. Пьезоэлектрические преобразователи хорошо известны, но сравнительно малодоступны, так как требуют для своего изготовления кварца или пьезокерамики.

Магнитострикционные излучатели могут быть построены на основе ферритовых вибраторов.

Предложена качественная учебная теория магнитострикционного излучателя с подмагничиванием. Разработаны магнитострикционный излучатель ультразвука низкой частоты и опыты, иллюстрирующие резонансное возбуждение колебаний вибратора, а также позволяющие определить скорость звука в вибраторе Эти излучатели могут быть запитаны от стандартного генератора звуковой частоты, однако возможно и самостоятельное изготовление ультразвукового генератора на транзисторах и на лампах. Проведенное исследование позволило предложить оригинальные магнитострикционные излучатели средней и высокой частоты, аналогов которым не существовало.

1.6.2. Стоячая ультразвуковая волна [2, с.88-109; 46, 48, 157, 59, 60, 175]. Стоячая волна возникает в результате интерференции двух когерентных волн, распространяющихся навстречу. Понятие стоячей волны используется на протяжении всего курса от механики до квантовой физики. Кроме того, стоячая волна дает один из методов измерения длины и фазовой скорости волны. Поэтому для учебного процесса необходима серия опытов со стоячими волнами разной природы в различных условиях. Мы разработали опыты по интерференции изгибных волн на бумаге, в тонкой пластинке (фигуры Хлад-ни) и группы опытов по изучению стоячей ультразвуковой волны в воздухе и жидкости. Опыты позволяют пронаблюдать и объяснить такие тонкие эффекты как образование поперечных пленок в трубке Кундта, изменение фазы волны при отражении, совпадение пучности давления с узлом скорости и т.д. Предложены также различные конструкции ультразвуковых интерферометров, позволяющих, в частности, исследовать реакцию излучателя на стоячую волну.

1.6.3. Дисперсия ультразвуковой волны [2, с. 82-88; 169]. Дисперсия звука в воздухе отсутствует, поэтому принципиальным является прямое экспериментальное доказательство существования дисперсии для упругих волн. Исследование показало, что с этой целью целесообразно использовать изгиб-ные волны. Соответствующие учебная теория и учебный эксперимент нами разработаны.

1.6.4. Ультраакустические эффекты второго порядка [2, с.76-82]. Ультразвук отличается от звука в первую очередь значительно более высокой интенсивностью, способствующей проявлению акустических эффектов второго порядка. К ним относятся ориентирующее действие ультразвука, силы, действующие на тела в ультразвуковом поле, ультразвуковой ветер и др.

1.6.5. Фокусировка ультразвука линзой [2, с. 114-124]. Для известных опытов по фокусировке ультразвука построена учебная теория и разработан подтверждающий ее эксперимент на оригинальном оборудовании.

1.6.6. Радиационное давление ультразвука [2, с. 124-130]. Радиационное давление относится к основным явлениям волновой физики, однако демонстрации его для волн на поверхности жидкости и звуковых волн осложняются побочными эффектами, а для электромагнитных не разработаны. Ультразвук позволяет не только доказать существование радиационного давления, но и количественно измерить его в воздухе и жидкости, а также изучить довольно тонкие эффекты. Мы построили учебную теорию радиационного давления на границе раздела двух сред и подтвердили ее серией учебных экспериментов, в которой индикатором давления явился ультразвуковой фонтан.

Наиболее поразительным для учащихся оказывается факт, что радиационное давление может быть направлено навстречу падающему пучку ультразвука.

1.6.7. Ультразвуковая кавитация [2, с. 133-138; 7, с. 168-190]. Разработана серия экспериментов, раскрывающая физическую сущность и возможности практического использования ультразвуковой кавитации. Рассмотрен механизм кавитационного разрушения посредством кумулятивных струй. Предложена оригинальная демонстрация ультразвукового капиллярного эффекта.

1.6.8. Получение ультразвуковых импульсов [4, с.4-29]. Разработана серия технологий, экспериментов и теоретических объяснений, позволяющая учащимся изготовить и исследовать генератор импульсов напряжения, ждущую развертку осциллографа, генератор импульсов с временной задержкой, генератор импульсов на динисторе, пьезоэлектрические преобразователи, импульсное возбуждение пьезоэлектрического вибратора, индикатор ультразвуковых импульсов, комплект приборов для учебных опытов с ультразвуковыми импульсами.

1.6.9. Учебный эксперимент с ультразвуковыми импульсами [4, с. 29-66; 21 26, 83,123 ].

Впервые в учебной физике показано, что ультразвуковые импульсы позволяют с высокой степенью эффективности экспериментально изучить основные явления волновой физики, такие как излучение, распространение, затухание, перенос энергии, интерференцию, дифракцию, отражение и прохождение ультразвука, а также осуществить измерение скорости ультразвука в жидкости и твердом теле, коэффициентов отражения и поглощения, изучить сущность метода многократных отражений, ультразвуковой эхоло-кации и дефектоскопии. Предложены учебные опыты и теория, доказывающие существование поперечной волны в твердом теле и изгибной волны в пластинках. Экспериментально изучаются явления полного внутреннего отражения продольной и поперечной волн и полного прохождения ультразвука через пластинки.

2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.

2.1. Капли жидкости.

2.1.1. Механизм образования и отрыва капель от капилляра [ 18, 94, 96, 105, 122, 138,139].

Предложены учебные эксперименты, раскрывающие механизм образования капель на концах смачиваемых и несмачиваемых капилляров. Описано новое для учебной физики явление скачкообразного формирования капли: при вытекании воды из тонкого (100- мкм) несмачиваемого капилляра вначале на его конце возникает бугорок, а затем скачком "вываливается" порция воды, образующая привычную каплю, которая растет и отрывается.

Показано, что в традиционных опытах по определению коэффициента поверхностного натяжения явление протекает сложнее, чем обычно описывается, и установлены границы применимости простейшей физической модели отрыва капли.

2.1.2. Неустойчивость капель одной жидкости на поверхности другой [172]. Предложены опыты, показывающие неустойчивость капель жира на поверхности теплой воды, дано качественное объяснение явлению.

2.1.3. Поверхностная энергия капли [98, 120]. Разработаны оригинальные учебный эксперимент и учебная теория, показывающие, что при переходе в невесомость лежащая на несмачиваемой подложке сплюснутая капля становится сферической и избыток энергии приводит к тому, что капля подпрыгивает над подложкой.

Эксперимент прямо доказывает существование поверхностной энергии капли.

2.1.4. Образованиеи исчезновение тумана [183]. Известные опыты по образованию тумана при адиабатическом расширении насыщенного водяного пара представлены в новых вариантах, которые, с одной стороны, повышают доступность, а с другой — расширяют их функциональные возможности. В частности, наблюдение дифракции света на образующемся тумане позволяет доказать, что действительно туман состоит из отдельных сферических капель примерно одного размера, которые при различных воздействиях на него могут расти и уменьшаться.

2.2. Тепловые машины.

2.2.1. Конвективные струи жидкости [30; 5, с. 69-74]. Предложена серия экспериментов с конвективными струями, возникающими в ацетоне и визуа-лизируемыми алюминиевой пудрой. Главным достоинством опытов является то, что они могут производиться при комнатной температуре и нагревании, осуществляемом рукой. Описан специальный экран, визуализирующий посредством конвективных струй инфракрасное изображение предмета.

2.2.2. Работа нагретого газа [167]. В стакан с горячей водой опускают бюретку, ждут пока вода не войдет в нее, закрывают верхний конец бюретки пальцем и переворачивают ее — из бюретки бьет фонтан на высоту в несколько метров. Этот эффектный опыт и сопутствующие ему явления демонстрируют при изучении работы нагретого газа.

2.2.3. Принцип действия тепловой машины [44]. В стоящий на нагревателе стакан с водой погружают небольшой стеклянный сосуд с пузырьком воздуха. Сосуд начинает периодически подниматься и опускаться. Чтобы дополнительно показать необходимость холодильника, с поверхностью горячей воды соединяют дно второго стакана с холодной водой.

2.2.4. Термические автоколебания [158]. Предложен доступный вариант известного опыта А.

С. Попова, показывающего периодические движения металлической дуги на тонкой пластинке слюды.

2.2.5. Термическая генерация звука [5, с.88-122; 190]. Явление относится как к механике, так и к молекулярной физике. Разработаны оригинальные конструкции теплового автогенератора звука (явление Рийке), позволяющего поставить серию опытов: возбуждение тепловых автоколебаний, определение их частоты, зависимость частоты звуковых колебаний от длины трубы, необходимость тяги, возможность введения в систему положительной и отрицательной обратной связи, обнаружение пучности давления звуковой волны, возбуждение автоколебаний на второй гармонике колебательной системы, колебания температуры нагревателя, явление регенерации, увеличение мощности тепловых автоколебаний. Дана качественная теория явлений.

3. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА.

3.1. Электрическое и магнитное поля.

3.1.1. Электростатическое поле [78, 181]. Предложен пьезоэлектрический источник для опытов по электростатике. Описан эксперимент по наблюдению электростатической индукции, в котором прямо доказывается наличие тока при перераспределении зарядов.

3.1.2. Стационарное электрическое поле [52,112, 127, 141, 153, 171]. Предложен учебный вариант моделирования электростатического поля стационарным, доступный способ изготовления электропроводной бумаги, описаны демонстрационная установка, даны примеры опытов. Дан вариант установки для экспериментального доказательства закона Ома. Описан вариант занимательного опыта по образованию электрической цепи.

Предложен индивидуальный эксперимент по наблюдению движения ионов. Описаны опыты по зависимости сопротивления проводника от температуры и давления.

3.1.3. Сила Лоренца [111, 130]. Предложена серия опытов и дано детальное объяснение явлений, возникающих при взаимодействии электронного пучка электронно-лучевой трубки осциллографа с полем постоянного магнита.

3.1.4. Индуктивность проводника [125]. Разработана серия учебных экспериментов, позволяющих сформировать понятие индуктивности проводника.

3.2. Электромагнитные колебания и волны.

3.2.1. Электромагнитные колебания [113, 117, 168]. Предложены комплекты приборов для получения разными способами переменного напряжения ин-франизкой частоты и серии опытов по исследованию резистора, конденсатора и катушки индуктивности в цепях переменного тока, электрическим и электромеханическим колебаниям и автоколебаниям.

3.2.2. Электромагнитные волны [67, 227]. Разработан комплект приборов для учебных опытов с электромагнитными волнами, включающий генератор сантиметровых радиоволн на клистроне или диоде Ганна, индикатор интенсивности волны в точке, сканирующий индикатор для демонстрации распределения интенсивности волны вдоль линии, рупорные антенны, волновод с Т-образным ответвителем, полуцилиндр из оргстекла, зеркала, экраны, скамью и другое оборудование. Комплект дает возможность учителю физики собирать такие демонстрационные установки, которые: 1) позволяют экспериментально доказать существование всех основных явлений волновой физики для электромагнитного излучения;

2) обеспечивают строгую однозначность и безусловную воспроизводимость результатов опытов; 3) обладают высокой степенью наглядности; 4) требуют минимального времени для подготовки и проведения демонстрационных опытов; 5) отличаются широкими функциональными возможностями, простотой и надежностью. Рекомендуется система опытов, доказывающая прямолинейность распространения, поглощение, отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию электромагнитных волн сантиметрового диапазона.

4. ОПТИКА.

4.1. Геометрическая оптика.

4.1.1. Физические основы зрения [165, 176, 177] обязательно должны изучаться в учебной физике. Мы разработали серию простых опытов с глазом, позволяющих измерить кривизну роговицы и хрусталика, увидеть свечение глаза, изучить механизм цветового зрения.

4.1.2. Отражение и преломление света [104, 209, 145, 148]. Новый элемент учебной физики может быть использован в качестве занимательного опыта. Мы предлагаем учащимся творческие задания по изготовлению так называемого магического зеркала, изучению каустики цилиндрической линзы, исследованию зеркального и диффузного отражений света.

4.1.3. Метод Фуко [23, 106]. Метод темного поля или метод Фуко используется для визуализации ничтожных изменений оптической плотности. Современным вариантом его является метод фазового контраста. Суть метода Фуко проста и может быть пояснена на элементарном уровне при изучении геометрической оптики. Мы рекомендуем учащимся домашнее задание по исследованию методом Фуко магического зеркала.

4.1.4. Явление полного внутреннего отражения света [102, 155, 160, 179]. Предложены учебные опыты по полному внутреннему отражению при переходе света из твердого тела в газ и жидкость, из жидкости в газ и жидкость, от тонкого воздушного слоя на несмачиваемой поверхности и при наличии плоскопараллельного слоя на границе раздела сред.

4.1.5. Световод [6, с. 56-60; 131]. Дана учебная теория и рассмотрены опыты по прохождению света через стеклянную палочку и через световод из оргстекла.

4.1.6. Модели рефрактометра [6, с.37-53]. Теоретически и экспериментально изучаются рефрактометры, основанные на явлении полного внутреннего отражения света.

4.1.7. Явление радуги [182]. Для экспериментального изучения радуги предлагается на покрытую копотью плоскую пластину наносить слой одинаковых капель воды или глицерина. Описаны наблюдаемые явления, дана качественная теория.

4.1.8. Физические основы градиентной оптики [3, 6, 19, 20, 24, 25, 31, 108, 109, 132, 178, 186].

На основе принципов Гюйгенса и Ферма разработана учебная физическая теория явлений криволинейного распространения, полного внутреннего отражения, фокусировки света в оптически неоднородных средах. Подробно исследована слоисто-неоднородная среда с постоянным градиентом показателя преломления. Создан учебный эксперимент, в том числе модельного характера, подтверждающий выводы учебной теории.

4.2. Волновая оптика.

4.2.1. Интерференционное явление Юнга [1, с. 3-7; 40, 140]. Опыт Юнга упоминается во всех курсах оптики, однако, редко ставится, причем некоторые авторы считают этот опыт настолько сложным, что постановка его в учебных условиях невозможна. Исследование показало, что основные трудности при постановке опыта Юнга обусловлены не созданием соответствующих условий, а наблюдением получающихся результатов и их анализом. Разработана серия оригинальных учебных опытов, решающая эту проблему.

4.2.2. Интерференция света на тонких слоях [38, 39, 42, 45, 51]. При изучении этих интерференционных явлений центральным пунктом является экспериментальное доказательство наличия когерентных пучков в тонком слое. Предложен также простой вариант опыта Вуда по интерференции в тонких пластинках слюды.

4.2.3. Оптические интерферометры [1, 36, 151, 164]. Обычно считается, что оптические интерферометры настолько тонкие в юстировке приборы, что самостоятельное изготовление их невозможно. Разработаны учебный интерферометр типа Жамена, интерференционный опыт Брюстера, способ изготовления отражательных и светоделительных пластин из бытовых зеркал, интерферометр ФабриПеро, лазерные интерферометры Майкельсона и Маха-Цендера.

4.2.4. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера [57, 62, 90, 133, 183, 187, 188, 197, 198, 202, 203, 204, 205]. Исследование показало недостаточную сформированность основных понятий дифракции света и выявило главную причину этого — разрыв между учебной теорией и учебным экспериментом. Поэтому разработаны демонстрационный и индивидуальный эксперименты, обеспечивающие формирование понятий дифракции Френеля и дифракции Фраунгофера, приборы для фронтальных и визуальных наблюдений дифракции света, получены серии фотографий дифракционных картин. Важным результатом явилась разработка демонстрационного опыта, показывающего, что при открывании первой зоны Френеля интенсивность света в центре дифракционной картины действительно возрастает в четыре раза. Разработаны также опыты по дифракции Фраунгофера на беспорядочном множестве одинаково ориентированных одинаковых объектов.

4.2.5. Дифракционная решетка [10, 12, 14, 28, 37, 49, 76, 129, 201]. Показано, что учебная теория дифракционной решетки, излагается в школьном курсе физики некорректно, предложены приборы для наблюдения дифракционного спектра от решетки, изготовление учебных дифракционных решеток голографическим методом, учебный эксперимент с голографической дифракционной решеткой, демонстрация дифракции света на ультразвуковой волне.

4.2.6. Оптические приборы [16, 39, 43, 50, 70, 137, 191, 208]. Разработана оригинальная учебная теория оптических приборов, основой которой является модель реальной линзы, представляющая собой идеальную линзу и непрозрачный экран с круглым отверстием.

Идеальная линза имеет точечный фокус и дает стигматическое изображение. Отверстие имеет фокус, состоящий из симметрично расположенных относительно него областей, простирающихся от минимального фокусного расстояния до бесконечности. Таким образом, реальная линза моделируется оптической системой из идеальной линзы и отверстия. Теория обоснована учебным экспериментом. Предложены опыты, показывающие роль дифракции света в образовании изображения, получение ахроматических интерференционных полос, изменение фазы волны при переходе через фокус.

4.2.7. Физические основы голографии [11, 128, 225]. Создана учебная теория голографии, доступная для учащихся старших классов. Она базируется на расширенном понятии уравнения волны в проекции на определенную ось. Проведенное исследование показало, что учебная голографическая установка должна удовлетворять следующим требованиям: 1) обеспечивать достаточно полное экспериментальное изучение физических основ голографического процесса; 2) использовать доступный гелий-неоновый лазер мощностью излучения не более 2-4 мВт; 3) позволять записывать голограммы на доступном и дешевом фотоматериале; 4) иметь небольшие размеры и малую массу; 5) допускать работу в незатемненном учебном помещении при наличии относительно больших вибраций; 6) позволять в течение учебного часа полностью изготовить 5-10 голограмм и пронаблюдать восстановленные изображения;

7) конструктивно быть максимально простой и доступной с тем, чтобы ее могли изготовить даже учащиеся средней школы. Голографическая установка, удовлетворяющая перечисленным требованиям, нами разработана; она обеспечивает постановку, например, следующих экспериментов: изготовление синусоидальных дифракционных решеток и зонных пластинок, запись голограммы Фурье точечного и протяженного объектов, запись голограммы Френеля точечного и протяженного объектов, основное свойство голограммы, объемность восстановленного изображения, псевдоскопичность сопряженного изображения, голографическая интерферометрия и т.д.

4.2.8. Визуализация светового вектора [35, 71, 99]. Одной из центральных проблем учебной физики при рассмотрении явлений поляризации света является экспериментальное доказательство поперечности световой волны. При введении понятия поляризации света необходимы эксперименты, визуа-лизирующие направление колебаний светового вектора.

Именно такие эксперименты разработаны. К ним относятся модель светового вектора, способ визуализации светового вектора и электронно-механический демонстратор светового вектора.

4.2.9. Инфракрасное излучение [41, 84, 85, 154, 184, 134]. Принципиальным является экспериментальное доказательство существования невидимого инфракрасного излучения, непосредственно примыкающего к видимой области спектра и характеризуемого теми же явлениями, что и видимое излучение. Детально разработаны соответствующие учебные теория и эксперимент, позволяющие изучить явления прямолинейного распространения, отражения, преломления, интерференции, дифракции, поляризации, рассеяния и т.д. инфракрасного излучения.

4.3. Релятивистские эффекты в оптике.

4.3.1. Оптический эффект Доплера [72]. Создана экспериментальная установка для изучения оптического эффекта Доплера, состоящая из вращающегося с большой скоростью бумажного диска, оптико-электронного тахометра, гелий-неонового лазера и интерферометра Фабри-Перо высокой разрешающей способности. Установка позволяет фокусировать лазерный пучок на диаметрально противоположных точках диска и по расщеплению наблюдаемой в интерферометр спектральной линии определять доплеровское смещение частоты. Дана учебная теория этого эксперимента.

5.1. Излучение.

5.1.1 Модель абсолютно черного тела [180]. Разработаны простая модель абсолютно черного тела и демонстрационный опыт, подтверждающий справедливость закона Кирхгофа.

5.1.2 Люминесценция света [47, 64, 152]. Опыты с готовыми люминофорами недостаточно убедительны. Мы предложили технологию изготовления борного люминофора из доступных любому учащемуся средств и серию опытов с этим люминофором. Для учебных опытов с ультрафиолетовыми лучами впервые предложено использовать лампу накаливания с перекалом, индикация осуществляется люминесцирующим листом белой бумаги.

5.1.3 Туннельный эффект [6, с. 65-81; 102] традиционно относится к чисто квантовым явлениям, однако его аналог имеет место для фотонов при полном внутреннем отражении от тонкого слоя воздуха. Разработаны учебные опыты, доказывающие существование явления проникновения света в оптически менее плотную среду при полном внутреннем отражении, исследующие область оптического контакта и люминесценцию при переходе через гипоте-нузную грань призмы в жидкость. Предложена экспериментальная установка для исследования туннельного эффекта в инфракрасной области и описан прямой эксперимент, подтверждающий наличие туннельного эффекта.

5.1.4 Лазер на красителях [36, 228]. Для полноценного изучения оптических квантовых генераторов в курсе общей физики учебные лаборатории педагогических институтов должны располагать не только гелий-неоновыми или полупроводниковыми лазерами, генерирующими непрерывное излучение, но и импульсными лазерами. Такие лазеры должны быть совершенно безопасными, не содержать дефицитных элементов, иметь простую конструкцию, допускать многократную разборку, сборку и юстировку. Анализ показывает, что перечисленным требованиям в настоящее время могут удовлетворять лишь лазеры на красителях.

Разработанный нами учебный лазер на красителях содержит блок питания, систему одноламповой накачки с эллиптическим отражателем, кювету с аксиальной прокачкой активной среды и открытый резонатор из плоских зеркал. Все элементы лазера конструктивно просты и доступны для самостоятельного изготовления учащимися. В качестве активной среды используются водные растворы родамина 6Ж и родамина В(С) с добавкой мочевины. В учебных экспериментах исследуются генерация лазерного излучения, зависимость спектра от состава и концентрации красителя, перестройка лазера по частоте, энергия и длительность импульса лазерного излучения, срыв генерации из-за возникновения градиентной линзы в активной среде и т.д.

5.2. Воздействие магнитного поля на атомы.

5.2.1 Эффекты Фарадея и Зеемана [82, 103, 116]. Вращение плоскости поляризации света магнитным полем явилось первым экспериментальным фактом, подтверждающим непосредственную связь оптических и электромагнитных явлений. Классическая теория эффекта Фарадея базируется на классической теории эффекта Зеемана. Современная теория этих эффектов квантовая. Поэтому в педагогическом институте целесообразно оба явления изучать в курсе квантовой физики. Что касается школы, то ознакомление учащихся с этими явлениями может быть осуществлено на внеклассных и факультативных занятиях в рамках классической физики. Мы разработали серию экспериментов по изучению эффектов Фарадея и Зеемана, а также модельную демонстрацию расщепления энергетических уровней.

Продолжается вторая глава диссертации исследованием возможности использования новых элементов учебной физики в экспериментальных доказательствах. Показано, что доказательства в физике имеют двойную направленность: это теоретические доказательства справедливости качественного объяснения, даваемого обнаруженному явлению, и экспериментальные доказательства справедливости теории. В этом смысле не было бы необходимости специально говорить об экспериментальном доказательстве. Однако в методической и учебной литературе явное предпочтение отдается теории.

Кроме того, даже чисто эмпирическая информация сообщается чаще всего в ознакомительном плане, умозрительно или догматически. Обосновывается необходимость экспериментального доказательства в системе физического образования. Показано, что учебная физика, являясь моделью физической науки, также требует полного, последовательного и непротиворечивого доказательства положений изучаемой науки.

Однако учитель и учащиеся не в состоянии реальным экспериментом обосновать все теоретические положения учебной физики. Их задача — на примере ограниченного круга физических опытов научить и научиться методу экспериментального доказательства.

Поэтому допустимо считать, что в учебной физике получено экспериментальное доказательство, если указаны условия эксперимента, выделен его результат и проведен анализ опыта, то есть осуществлены реальный или умозрительный эксперименты. В изучаемом разделе физики экспериментальные доказательства должны быть представлены в виде последовательной, непротиворечивой и несколько избыточной системы, полностью охватывающей содержание раздела. При оценке знаний учащихся необходимо учитывать их умения проводить умозрительные и реальные экспериментальные доказательства [100, 101, 114, 216].

Во второй главе рассмотрены также психологические и дидактические основы визуализации как одного из методов реального осуществления экспериментального доказательства.

Перечислены созданные в процессе исследования приборы и установки, обеспечивающие визуализацию ряда фундаментальных физических явлений: индикатор интенсивности волны в точке [227], сканирующие индикаторы для визуализации распределения интенсивности волны вдоль линии и в плоскости [56, 61, 63, 65, 68, 107, 223], метод визуализации волновых полей порошковыми фигурами [27], визуализирую-щий экран, для демонстраций с дециметровыми радиоволнами [32], метод построения линий равных фаз звукового поля [69], прибор для визуализации состояния поляризации электромагнитной волны методом сканирования, акустическая лупа времени [81]. Некоторые физические объекты настолько сложны, что доказать их существование одним экспериментом не представляется возможным, поэтому необходимо выделение характерных или основных явлений [195, 196, 200, 208]. В качестве примера рассмотрены экспериментальные доказательства существования поверхностной энергии жидкости [98], дисперсии звука [87], визуализации звуковых волн [107].

Завершается глава изложением новых элементов учебной физики, обеспечивающих разработку конкретных методик организации научного познания при обучении физике применительно к определенным формам проведения учебных занятий. К ним относятся:

экспериментальные задачи при изучении силы Лоренца [130], учебные опыты с колебательными контурами [113], магическое зеркало [ 104 ], магическое зеркало и метод Фуко [ 106], визуальное наблюдение дифракции света [ 28 ], электронно-механический анализатор линейно поляризованного света [35, 99], получение и исследование голограммы точки [11, 12,37].

Третья глава " Педагогический эксперимент" обобщает результаты многолетнего экспериментального преподавания с использованием новых элементов учебной физики, направленного на совершенствование процесса научного познания учащимися. Продолжительность проведенного педагогического эксперимента составила более 30 лет, он охватил порядка 2000 студентов, 1000 школьников, 500 учителей физики и включал констатирующую, поисковую, экспертную, конкретную, обучающую и творческую компоненты, а также внедрение результатов исследования в реальный учебный процесс. Основной базой педагогического эксперимента явились Глазовский государственный педагогический институт, Удмуртский институт усовершенствования учителей, средние школы города Глазова и Удмуртской республики. Опосредованное внедрение результатов исследования осуществлялось в средние и высшие учебные заведения России методом реализации разработанного и изготовленного под нашим руководством учебного оборудования. Внедрение производилось также путем выполнения хоздоговорных работ с Глазовским филиалом Ижевского технического университета, Глазовским городским отделом народного образования, Глазовским техническим колледжем. В эксперименте приняли участие 22 сотрудника кафедры физики и физического факультета Глазовского пединститута (8 доцентов, 6 преподавателей, 3 инженера, 5 лаборантов). Планирование, проведение и обработка результатов частных педагогических экспериментов, имеющих целью сравнение новых методик с традиционными, осуществлялись методами, подробно разработанными в соответствующей научной и учебной литературе. Главное содержание исследования составил феноменологический эксперимент, доказывающий возможность, целесообразность и эффективность применения нового элемента учебной физики в современной системе физического образования. Этот педагогический эксперимент осуществлялся методами экспертизы, обучения и творчества. В главе кратко рассмотрены в основном именно эти компоненты проведенного педагогического эксперимента.

Методом групповой экспертизы получены экспертные оценки новизны и учебности созданных в исследовании новых элементов учебной физики. В качестве экспертов выступали выпускники Глазовского пединститута, учителя физики средних учебных заведений Глазова, слушатели курсов повышения квалификации учителей, сотрудники кафедры физики Глазовского пединститута. Полученные ими оценки параметров в пределах погрешности квалиме-трических измерений совпадают, что позволило высказать предположение о возможности и целесообразности осуществления экспертной оценки небольшой группой специалистов, а затем обосновать его эвристическим рассуждением в рамках известной модели Г. Раша [19, 20].

Обучающий компонент педагогического эксперимента имеет своей целью доказательство возможности и целесообразности использования нового элемента учебной физики в реальном учебном процессе. Как уже отмечалось, такой эксперимент нами проводится более трех десятков лет: каждый новый элемент учебной физики уже на стадии предварительной разработки внедряется в учебный процесс Глазовского пединститута, в первую очередь, в спецкурсы. Затем он используется на лекционных, семинарских, практических и лабораторных занятиях курсов общей физики и дидактики физики во всех допустимых формах обучения: в демонстрационных, лабораторных и индивидуальных опытах, в теоретических построениях, в физических задачах [54, 55, 62, 80, 93, 118, 147, 192]. В обучающем эксперименте отработаны содержание и технология обучения физике в педагогическом институте [15], авторские курсы оптики [ 16] и квантовой физики [17]. Оценка результатов традиционного обучения производится стандартными методами рейтинга, зачетной и экзаменационной сессий, в которых знания студентов оцениваются по пятибалльной шкале, оценки суммируются и переводятся в безразмерные величины путем деления на общее количество оценок и максимальное число баллов шкалы. Обработка результатов локальных дидактических экспериментов производилась общепринятыми методами статистики [125, 144].

Метод совместного творчества предполагает получение учителем и учеником новых результатов в совместной учебно-исследовательской работе. В главе изложена суть метода, приведены полученные результаты, рассмотрены примеры конкретных методик [73, 120, 125, 205, 210, 211, 212, 213, 217].

Проведенный педагогический эксперимент убедительно показал, что новый элемент учебной физики действительно может быть эффективно использован в рамках существующей системы физического образования для обогащения ее содержания, расширения кругозора и познавательного интереса учащихся, углубления их физических знаний, становления и развития личности учащихся, если его учебная физическая теория и учебный физический эксперимент характеризуются достаточно высокими значениями учебности, а методика изучения этого элемента обладает достаточно высоким значением эффективности.

Педагогический эксперимент подтвердил, что создание новых элементов учебной физики в совместном творчестве учителя и ученика в рамках учебно-исследовательского процесса возможно и обеспечивает наиболее эффективное развитие творческих способностей учащегося, так как этому способствует получение результатов, отличающихся объективной новизной.

В третьей главе показано, что в ходе обучающего педагогического эксперимента автором создан ряд оригинальных методик формирования основ метода научного познания в сознании учащихся. В качестве подтверждения изложены методики формирования понятия полного внутреннего отражения света, изучения световода на уроках физики, введения основных понятий волновой оптики, изучения физических основ голографии на уроке, учебного исследования каустики цилиндрической линзы, организации учебного исследования зонной пластинки. Помимо этого для 41 методики указаны области применения и количество вовлечений в реальный учебных процесс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненное исследование посвящено созданию новых элементов учебной физики как основы организации процесса научного познания учащимися в современной системе физического образования. В итоге решены следующие задачи.

1. Подтверждена необходимость использования принципа цикличности в качестве основы дидактической модели процесса научного познания учащимися при обучении физике, предложены и обоснованы дидактические модели учебной физической теории и учебного физического эксперимента.

2. Определены содержание, структура и место учебной физики в дидактике физики, обеспечивающие совершенствование методики организации для учащихся процесса научного познания.

3. Предложены и обоснованы дидактические модели переходного процесса, эксперта, учебности, новизны, обеспечивающие научное познание при создании, оценке и внедрении новых элементов учебной физики в современную систему физического образования.

4. Выявлены закономерности создания новых элементов учебной физики, которые сформулированы в форме законов и обоснованы решением актуальных проблем обучения механике, молекулярной физике, электродинамике, оптике и квантовой физике.

5. Показана возможность создания и использования новых элементов учебной физики с целью экспериментального доказательства существования физических явлений, функциональных зависимостей, значений физических констант, обоснования физических теорий.

6. Разработаны конкретные методики применения предлагаемых элементов учебной физики в рамках существующей системы физического образования для организации процесса научного познания учащимися.

7. В педагогическом эксперименте, организованном в условиях учебного процесса средней и высшей школы, курсов повышения квалификации учителей, ежегодной научной конференции, издания сборника научных трудов и научно-практического журнала, произведена экспертная оценка новых элементов учебной физики.

8. Новые элементы учебной физики внедрены в реальный учебный процесс средней школы и педагогического института; в обучающем педагогическом эксперименте доказаны эффективность методики их изучения и научного познания.

9. Доказана возможность и целесообразность создания новых элементов учебной физики в научном познании при совместном творчестве учителя и ученика в условиях существующей системы физического образования без дополнительных материальных и временных затрат.