Введение к работе
Актуальность темы. Существует известное противоречие между лидирующей, по объему исследовании и практической значимости реіуіьіатов, ролью фишки твердого тела во всем комплексе фншческих исследований и тем скромным местом, которое она занимает в учебных курсах студентов-физиков педагогических ВУЗов. >то противоречие особенно проявилось в последние юды в связи с начавшейся подготовкой в педаї огическнх ВУЗах, в частности в РІПУ им А.И Герцена, бакалавров и магистров наук со спеїшалиіацией в области фишки конденсированного состояния. Обучение будущих спецпалнсюв-исследовагелей предполагает изучение ими вслед за общим курсом физики специальных физических дисциплин, которые должны давать адекваїное представление о фишке твердого тела как современной, рапитающейся области знания. Постановка таких спецкурсов іребуег 'разработки соответствующей методики обучения фишке твердого тела, включая инновации в содержании курса и техиолоіии оріаниіашш учебного процесса.
В части злекіронной теории твердого тела учебные курсы физики твердою тела іралициоино оіраничиваются изложением зонной теории Широкие возможности зонной электронной теории для объяснения и предсказания свойств твердых тел раскрываются на примерах хорошо изученных 60-70-ые годы и получивших важное практическое применение материалов, таких как кремний, германий, арсенил галлия и др Вместе с тем, в процессе развития физики твердого тела в область ее интересов вовлекались и другие материалы и явления, изучение которых ставит задачи, выходящие за границы зонной теории. Последнее объясняется тем, что существенную роль формировании свойств таких материалов играют взаимодействия, не учитываемые зонной теорией (злектрон-фононное. межзлектрониое взаимодействие), а также неупорядоченность атомного строения в случае некристаллических тел К числу отмеченных систем относятся, в частности, оксиды и халысогемнлм переходных металлов, высокомолекулярные соединения, аморфные и стеклообразные вещества. Резулыаш исследовании последних десятилетий свидетельствуют об . особых мехлшимат локализации и переноса заряда в них. приводящих к таким интересным для науки и практики электронным свонсівим как. например,
переходы "металл-диэлектрик". Принцип действия и функциональные свойства многих современных материалов электронной техники и приборных систем на их основе определяются процессами, описываемыми с иных, чем в зонной теории, позиций. Сказанное определяет необходимость включення в содержание электронной теории твердого тела в учебных курсах явлений, выходящих за границы зонной теории.
Изучение этих явлений целесообразно не только с точки зрения приведения содержания учебного курса в соответствие с действительным состоянием науки. но и для развития исследовательских способностей студентов-физиков, формирования их методологической компетентности. Анализируя явления, выходящие за рамки зонной теории, студенты получают возможность осмыслить на конкретном физическом материале значение приближений физической теории и действительных границ ее применимости. Объяснение экспериментальных результатов, не укладывающихся в зонную теорию, неизбежно требует построения соответствующей физической модели, что представляется одним из важнейших исследовательских умений. При организации обучения в форме выполнения определенных учебно-исследовательских заданий, основанных на использовании экспериментального материала, учебный процесс приобретает исследовательскую ориентацию и может рассматриваться как реализация учебной модели науки, что отвечает современной концепции физического образования.
Возможность развития универсальных исследовательских навыков и умений при изучении явлений, выходящих за границы зонной теории, делает его целесообразным (в определенном объеме) при обучении не только специалистов-исследователей, но и учителей физики.
Объектом исследования является учебный процесс студентов-физиков педагогических ВУЗов при изучении электронной теории твердого тела.
Предметом исследования является содержание и технология изучения явлений, выходящих за границы зонной теории, в специальных курсах физических факультетов педагогических ВУЗов.
Цель исследования - разработка методики изучения явлений, выходящих за границы зонной теории, отвечающей современному
состоянию физики твердого тела и требованиям исследовательской ориентации учебного процесса.
Гипотеза исследования - обучение электронной теории твердого тела будет более полно соответствовать действительному состоянию науки и способствовать формированию методологической компетентности студентов-физиков педагогических ВУЗов, если в содержание курса будут включены явления, выходящие за границы зонной теории, и реализована предлагаемая методика их изучения.
Исходя из цели и гипотезы исследования, были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать содержание и технологию организации учебного процесса в части изучения электронной теории твердого тела в педагогических ВУЗах на предмет их соответствия состоянию науки и современной концепции физического образования.
-
Определить необходимые место и роль изучения явлений, выходящих за границы зонной теории, в учебном процессе при подготовке учителей физики и специалистов-исследователей в області! физики конденсированного состояния.
-
Разработать подходы к инновации в содержании и технологии организации изучения электронной теории твердого тела в специальных курсах.
4. Создать комплекс учебно-исследовательских заданий,
выполнение которых дает необходимую основу для изучения явлений,
выходящих за границы зонной теории, и является средством развития
исследовательских умений студентов.
-
Осуществить инновацию в содержании учебных программ и технологии организации учебного процесса студентов-фнзиков педагогического ВУЗа.
-
Проверить эффективность изучения явлении, выходящих за границы зонной теории, в плане более полного освоения электронной теории твердого тела и интеллектуального развития студентов.
Методологическую основу исследования составляют:
- философские, психологические и педагогические концепции
познавательной деятельности (ВВ. Давыдов, Ю.Н. Кулюткин, Л П.
Леонтьев. И.Я.. Лернер. Я.А. Пономарев, С. Л. Рубинштейн, Л.П.
Тряпицына, Г.И. Щукина и др.);
- методология науки физики (В.Л. Извозчиков, А Ф. Иоффе,
П.Л. Капица. А. С. Кондратьев и др.);
достижения и тенденции развития теории и методики обучения
физике (В.А. Извозчиков. АС. Кондратьев, И.Я. Ланина и др );
- подходы к инновационной деятельности в образовании
содержанию и технологии организации учебного процесса (М.В.
Кларнн. В.В. Лаптев. В.Г. Разумовский. В.А. Сластенин и др.).
Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:
- теоретический анализ проблемы на основе достижений
современной фишки твердого тела, результатов пенхолого-
педагогнческих и методических исследований, в том числе концепции
постановки учебного процесса как реализации учебной модели науки;
анализ содержания электронной теории твердого тела в
вузовских программах, учебниках и учебных пособий и опыта ее
преподавания в педагогических и других ВУЗах на предмет отражения
в них явлений, выходящих за рамки зонной теории:
проведение педагогических измерений (проведение наблюдений, ин^вьюирование. анкетирование преподавателей и студентов).
- проведение педагогического эксперимента н статистическая
обработка его результатов с целью определения эффективности
предлагаемой методики.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются.
опорой на современные достижения физики твердото тела, психолого-педагогических и методических исследований по инновационной деятельности в системе обраювания. развитию исследовательского подхода. творческих способностей и формированию методологической компетентности учащихся:
использованием различных методов исследования, адекватных поставленным задачам:
рациональным выбором критериев эффектнвностн разработанной методики изучения явлений в твердом теле, выходящих за рамки зонной теории;
апробацией разработанной методики в РГПУ им. А. И. Герцена. Псковском педагогическом университете и СПбГУ и положительными результатами проведенного педагогического эксперимента.
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключаются в следующем.
-
Обоснована роль изучения явлений, выходящих за рамки зонной теории, как необходимого условия приведения содержания специальных учебных курсов в соответствие с современным состоянием физики твердого тела.
-
Доказано, что изучение явлений в твердом теле, выходящих за рамки зонной теории, при использовании соответствующем методики отвечает задаче развития исследовательских способностей студентов и повышения их методологической компетентности.
3. Предложен системный подход к построению учебного
материала, основанный на рассмотрении явлений, выходящих за
рамки известных приближении зонной теории, поэтапное объяснение
которых требует последовательно учета электрон-фононного,
межэлектронного взаимодействий и отсутствия периодичности в
атомном строении.
4. Разработана и обоснована технология организации учебной
деятельности студентов, структурной единицей которой является
учебно-нсследовательское задание, в ходе выполнения которого
студенты приобретают необходимые способности к построению
физической модели изучаемого явления в связи с другими важными
исследовательскими умениями и навыками.
5. Теоретически обоснован и создан комплекс учебно-
исследовательских заданий, включающих в себя координированные
проблемное изложение на лекциях теоретического материала по
явлениям, выходящим за рамки зонной теории, натурный эксперимент,
формулирование гипотез и адекватной физической модели. .
Практическое значение работы состоит в том, что основные результаты исследования доведены до уровня конкретных методических разработок и рекомендаций по изложению материала, дающих руководство к практической реализации разработанной методики преподавания в ВУЗах при обучении физике твердого тела, и внесены соответствующие изменения в учебные программы студентов-физиков в РГПУ им. А.И. Герцена.
Апробация результатов исследования.
Основные положения и результаты работы излагались на Герценовских чтениях (С.-Петербург, 1997,1998), Международной конференции по физике твердых диэлектриков (С.-Петербург, 1997), Российской научно-методической конференции "Физическое образование в России: традиции и перспективы" (Калуга, 1998),
Международном Арктическом семинаре по физике и математике (Мурманск. 1998). на семинарах кафедры теории и методики обучения физики 1ТПУ им. А.И. Герцена.
І ія защиту выносятся следующие положения: I. Требования приведения содержания специальных учебных курсов физики твердого тела в ВУЗах в соответствие с состоянием современной науки делают необходимым, а предлагаемая методика -возможным изучение явлений, выходящих за рамки зонной теории.
2. Методика изучения явлений, выходящих за границы зонной
іеории. будет эффективной в плане освоения электронной теории
твердого тела, если явления будут рассматриваться поэтапно в порядке
снятия ограничении зонной теории, и технология организации
учебного процесса будет основана на выполнении студентами
соответствующих учебно-исследовательских заданий.
3. Изучение явлений, выходящих за рамки зонной теории.
способствует рашнтню исследовательских способностей и повышению
методологической компетентности студентов при следующих
условиях:
- адекватном понимании сущности приближений в отношении
взаимодействий в твердом теле и действительных границ,
применимости зонной теории;
столкновении с экспериментальными результатами, требующими для своего объяснения выхода за рамки зонной теории и формулирования соответствующей гипотезы;
разработке физической модели изучаемого явления, учитывающей пренебрегаемые зонной теорией взаимодействия и реальную структуру твердого тела:
- при соответствии содержания н технологии выполнения учебно-
исследовательских заданий уровню' теоретических знаний и
сформированности исследовательских умений и познавательных
возможностей студентов.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии, содержащей 162 источника. Работа содержит 168 с, включая 30 рисунков и 11 таблиц.
