Содержание к диссертации
Введение
АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ИЗУЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ. ВОЗМОЖНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЕЕ ИЗУЧЕНИЯ 13
1.1. Цели изучения электромагнитной индукции и возможности модернизации ее изучения в рамках тенденции отражения методологии математического моделирования в среднем образовании 13
1.2. Анализ подходов к изучению электромагнитной индукции в средней школе 23
1.3. Роль изучения электромагнитной индукции в реализации политехнической направленности содержания школьного физического образования 29
1.4. Подходы к разработке физических и математических моделей для освоения учащимися элементов методологии математического моделирования при изучении основ электродинамики 36
ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ В ФИЗИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ КАК УЧЕБНОЙ МОДЕЛИ НАУКИ 47
2.1. Уровни методологии физики необходимые для разработки содержания учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении электромагнитной индукции 47
2.2. Направления конструирования содержания учебно-познавательной деятельности учащихся по теме «Электромагнитная индукция» 56
2.2.1. Конструирование содержания познавательной деятельности средствами учебного эксперимента 57
2.2.2. Конструирование содержания познавательной деятельности средствами теоретического описания 67
2.2.3. Конструирование содержания познавательной деятельности средствами математического моделирования при решении задач по теме 79
2.2.4. Конструирование содержания познавательной деятельности, направленной на обобщение знаний учащихся по теме 90
2.3. Преодоление формализма в изучении фундаментальных вопросов «Электродинамики» на основе использования знаний об электромагнитной индукции 102
2.4. Пропедевтика основ теории относительности при изучении 116 раздела «Электродинамика»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ОСНОВ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ КАК ЭЛЕМЕНТА УЧЕБНОЙ МОДЕЛИ НАУКИ 119
3.1. Структура и основное содержание педагогического эксперимента 119
3.2. Итоги педагогического эксперимента 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149
БИБЛИОГРАФИЯ 154
ПРИЛОЖЕНИЯ 174
- Цели изучения электромагнитной индукции и возможности модернизации ее изучения в рамках тенденции отражения методологии математического моделирования в среднем образовании
- Уровни методологии физики необходимые для разработки содержания учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении электромагнитной индукции
- Структура и основное содержание педагогического эксперимента
Введение к работе
Актуальность исследования.
Направленность среднего образования на разностороннее развитие школьника как личности, способной к активному жизненному самоопределению в различных условиях неопределенности и социального поиска, немыслимо полноценно реализовать без истинного понимания учащимися модельности всех научных знаний о природе. В достижении этого понимания физике как учебной дисциплине принадлежит принципиально важная роль. Конструируя «образование как учебную модель науки» (А. А. Самарский, А. С. Кондратьев), целесообразно стремиться к раскрытию элементов всей триады физики как науки, а именно «физики экспериментальной - физики теоретической - физики вычислительной», при изучении всего содержания курса физики полной средней школы. Обучение построению разнообразных моделей, различным видам работы с ними, вплоть до экспериментальной проверки их приемлемости формирует у учащихся черты мышления, исключающие психологические тупики при поисках решения той или иной проблемы, если даже использование какой-либо конкретной модели оказалось неудачным.
Однако целостную модернизацию обучения физике в направлении обучения учащихся работе с разнообразными моделями, по-видимому, рационально предпринимать изучив возможности каждого раздела школьного курса в этом процессе. В этой связи тема диссертационного исследования является актуальной, так как изучение одного реального объекта - явления электромагнитной индукции (ЭМИ) возможно проводить в рамках двух физических моделей: фундаментальной модели электромагнитного взаимодействия (системы уравнений Максвелла, в
которой отражен закон ЭМИ Фарадея) и частной модели (Г. А. Лоренца) свободных носителей зарядов в границах классической электронной теории, выступающей в свою очередь в виде одной из базисных моделей в классической физике. Кроме этого актуальность обусловлена необходимостью освоения учащимися подхода сокращенного описания к построению физических моделей как начального этапа перспективной методологии математического моделирования при изучении ЭМИ и взаимосвязанных фундаментальных вопросов.[1, 6, 53, 54, 68, 71, 140,149 ]
Объект исследования - педагогический процесс по изучению явления электромагнитной индукции и использованию усвоенных знаний в курсе физики полной средней школы.
Предмет исследования - содержание и методика изучения явления электромагнитной индукции в виде принципиально важного элемента «образования как учебной модели науки» для классов физико-математического профиля.
Цели исследования. 1. Приведение методики изучения электромагнитной индукции в соответствие тенденции совершенствования «образования как учебной модели науки», построенной на учебных возможностях средств современной физики. 2. Преодоление формализма в знаниях учащихся профильных физико-математических классов об электромагнитном поле и электромагнитных волнах посредством осознанного использования при изучении указанных вопросов знаний об электромагнитной индукции и возможностях ее описания в рамках разных уровней методологии физики - методологических принципов, фундаментальных физических законов, конкретных законов физических теорий.
В соответствии с целью были определены следующие задачи исследован ия:
Проанализировать сложившиеся взгляды на изучение явления электромагнитной индукции и вскрыть причины формализма в знаниях учащихся по данной теме и ряду взаимосвязанных вопросов электродинамики.
Изучить возможности развития практически значимых умений исследовательской деятельности при анализе явлений в электромагнитном поле.
Исследовать возможности освоения учащимися научно значимых умений методологии математического моделирования при изучении электромагнитной индукции и взаимосвязанных вопросов курса физики полной средней школы.
4. Обосновать научные и методологические подходы к
конструированию содержания и методики изучения темы
«Электромагнитная индукция» и дальнейшему использованию знаний для
преодоления формализма в изучении учащимися электромагнитного поля
и электромагнитных волн.
5. Скорректировать содержание учебно-познавательной
деятельности учащихся при изучении теоретического материала и
обучении решению задач по электромагнитной индукции требованиям,
предъявляемым к знаниям выпускников физико-математических классов и
определяемым социальный заказом («Образовательный стандарт среднего
полного общего образования по физике»).
6. Проследить прямые и косвенные последствия, вносимые
внедрением полученных результатов в компоненты обучения физике в
полной средней школе.
Методы исследования подбирались по требованию адекватности задачам исследования. На разных этапах исследования использованы следующие методы: теоретический анализ литературы по проблеме
исследования; изучение и обобщение передового педагогического опыта (по изучению ЭМИ); анализ организации процесса обучения физике в школе; педагогические измерения (по результатам наблюдений, анкетирования учащихся и учителей, индивидуальных и групповых опросов учащихся, зачетов, экзаменов); педагогический эксперимент со статистической обработкой его результатов. Теоретической базой исследования явились: работы классиков электродинамики и специальной теории относительности;
работы, посвященные осмыслению и структурированию фундаментальных знаний о электромагнитной индукции для подготовки физиков-исследователей;
- работы, посвященные отбору содержания и конструированию учебного
материала по электродинамике для подготовки физиков-преподавателей и
повышения квалификации учителей физики;
- работы, посвященные компьютерным технологиям, методологии
математического моделирования и различным аспектам их применения к
разработке содержания физического образования на разных его уровнях;
- работы, раскрывающие различные аспекты организации уроков физики,
исследовательской направленности образования, формирования
методологической культуры и развития учащихся в процессе обучения
физике.
Концепция исследования состояла в разработке подходов к преодолению формализма в знаниях учащихся и приведению содержания и методики изучения электромагнитной индукции в соответствие «образованию как учебной модели науки», построенной на учебных возможностях средств современной физики, а также на использовании разных уровней методологии физики в обучении и развитии учащихся.
Гипотеза исследования. Преодолеть формализм в знаниях учащихся и добиться повышения уровня физического понимания учебного материала по теме «Электромагнитная индукция» и ряду взаимосвязанных фундаментальных вопросов возможно, если содержание и методику изучения данной темы конструировать в виде составляющей «образования как учебной модели науки», предполагающей использование учащимися, выступающими активными субъектами обучения, элементов современной физики, а также разных уровней методологии физики.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Добиться существенного повышения качества знаний и уровня
физического понимания учащихся при изучении электромагнитной
индукции возможно при последовательной реализации концепции
«образование как учебная модель науки», предполагающей анализ
имеющейся совокупности экспериментальных данных на базе основных
представлений теории электромагнитного поля Максвелла.
2. Преодоление формализма в знаниях об электромагнитной
индукции будет эффективным, если изучение содержания осуществлять
путем овладения учащимися опытом разностороннего его анализа,
обеспечивающего возможность конструктивного предсказания
результатов эксперимента.
3. Изучение темы «Электромагнитная индукция» может
способствовать интенсивному развитию представлений учащихся о
модельном характере научных знаний в физике, если на уроках решения
задач в классах физико-математического профиля обучать учащихся
элементам подхода сокращенного описания к построению физических
моделей как начального этапа математического моделирования тех
объектов, для которых учащимся неизвестны конкретные законы их
динамического описания.
Критериями эффективности методики являются успеваемость (У) и качество знаний (AT) учащихся по изучаемой теме в виде отношения числа положительных оценок и оценок «4» и «5», полученных учащимися при проведении различных форм контроля к общему числу полученных учащимися оценок при контроле, выраженные в процентах,
У = {1 "(3,4,5) /I N) 100% ; К = (l>(4j5) /Z N) 100%.
Научная новизна исследования и полученных результатов.
1. В отличие от выполненных ранее работ (С. Е. Каменецкий, А.
А. Пинский, И. Г. Пустильник и др.), делавших упор в изучении
электромагнитной индукции на учебный эксперимент с последующим
теоретическим объяснением его результатов в рамках законов
классической электродинамики, в настоящей работе предложено
конструировать содержание и методику изучения темы
«Электромагнитная индукция» и взаимосвязанных фундаментальных
вопросов электродинамики методами характерными для всей триады
физики - экспериментальной, теоретической, вычислительной.
2. В работе впервые в явном виде показаны дидактические
возможности фундаментальной модели электромагнитного
взаимодействия и частной классической модели свободных носителей
зарядов в усвоении учащимися элементов методологии математического
моделирования.
Теоретическое значение результатов исследования.
1. Разработана система организации познавательной деятельности упреждающая возникновение формализма в знаниях учащихся о электромагнитной индукции и взаимосвязанных фундаментальных вопросах, основанная на овладении опытом разностороннего анализа и получения достоверных учебных предсказаний при комплексном
использовании средств характерных для современной физики, а также различных уровней методологии физики.
2. В рамках изучения темы «Электромагнитная индукция» развит подход к пониманию дополнительности физической картины явления и его математического описания, предложенный А. С. Кондратьевым [73] в изучении основ квантовой физики. Таким образом, на более ранних ступенях изучения физики открывается возможность усвоения учащимися того, что содержание физических законов не сводится к математическим формулировкам, которые в лучшем случае, отражают только количественный аспект исследуемого физического вопроса.
Практическое значение работы.
1. Разработанное содержание методики изучения электромагнитной
индукции доведено до уровня конкретных методических разработок и
рекомендаций для использования в классах физико-математического
профиля.
2. Сконструирован комплекс задач по теме «Электромагнитная
индукция», для решения которых учащимся не всегда известны
конкретные динамические законы рассматриваемых явлений. Тем не
менее задачи могут быть решены в рамках методологии математического
моделирования путем использования сокращенного описания к
построению физических моделей явлений, рассматриваемых в задачах.
Достоверность н обоснованность результатов и выводов исследования обеспечивается разносторонним анализом проблемы; внутренней непротиворечивостью полученных результатов и их соответствием достижениям возрастной психологии и педагогики становления учащегося как субъекта процесса обучения; использованием разнообразных методов исследования, адекватных поставленным задачам; репрезентативностью и положительными результатами
педагогического эксперимента, проводившегося в течение 2001 - 2003 учебных годов с участием 456 учащихся и 9 учителей.
Апробация результатов исследования.
Практические результаты исследования - содержание основ методики изучения и использования электромагнитной индукции как элемента учебной модели науки в физическом образовании апробировано в процессе проведения педагогического эксперимента, а также при прохождении ассистентской и доцентской практики в РГПУ им. А. И. Герцена.
Теоретические результаты проверены в ходе обсуждения публикаций автора по теме исследования на аспирантских семинарах кафедры методики обучения физике РГПУ им. А. И Герцена, а также при обсуждении выступлений автора на следующих конференциях. «Герценовские чтения»: Научная конференция (СПб., 2000 - 2003); «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики в современных условиях»: Международная научно-практическая конференция (Екатеринбург, 2002.); «Физическое образование в XXI веке»: Съезд российских физиков-преподавателей (М., 2000); «ФССО -01, 03»: Международная конференция (Ярославль, 2001; СПб., 2003).
Результаты исследования внедрены в практику:
-работы по повышению квалификации учителей физики в Ленинградском областном институте развития образования, в практику работы методического объединения учителей физики Пушкинского района г. С.-Петербурга;
-методической подготовки студентов старших курсов факультета физики РГПУ им. А. И. Герцена;
-обучения физике слушателей института довузовской подготовки, а также подготовительных курсов РГПУ им. А. И. Герцена;
»
-обучения физике учащихся ФМЛ № 30, классов с углубленным изучением физики и математики школ №№ 344, 406, 491, 530, а также муниципальных школ №№ 325, 381 г. С. - Петербурга.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 193 наименования и приложения, содержащего листинг примера программы компьютерной поддержки разработанной методики. Диссертация иллюстрирована таблицами, рисунками, схемами. Основной текст на 170 страницах.
1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ИЗУЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
Цели изучения электромагнитной индукции и возможности модернизации ее изучения в рамках тенденции отражения методологии математического моделирования в среднем образовании
Изучение электромагнитной индукции в средней школе «работает» как на общие цели физического образования в средней школе, так и обладает рядом особенностей при изучении данной темы курса физики. Анализ стратегических целей школьного образования [2, 5,19, 46, 55, 121, 177, 176], общих целей обучения физике [4, 5, 8, 26, 55, 121, 159, 177], в которых в различной степени полноты может найти свое отражение изучение электромагнитной индукции, позволяет классифицировать цели обучения физике в следующие группы (Схема 1.1-1).
Исходя из анализа структуры человеческой деятельности и моделей познания [38, 39, 43], а также руководствуясь одной из наиболее известных трактовок (И. Я. Лернера) [125] целей обучения, можно, сгруппировать цели изучения электромагнитной индукции по следующим основаниям.
1. Знания о действительности. Из них изучение ЭМИ нужно для научного мировоззренческого понимания взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями и создания «Электродинамики» как целостной теории, составляющей элемент фундаментальной модели мировоззренческого уровня - научной картины мира; для понимания основ передачи информации посредством радио и телевидения. При изучении темы необходимо добиться понимания учащимися того, что все промышленные способы получения электроэнергии основаны на использовании ЭМИ.
2. Осуществление известных способов деятельности на базе знаний, т. е. навыки и умения. Из них для интеллектуального развития и развития рефлексии при изучении ЭМИ, прежде всего, характерны: развитие умений проводить исследование такого материального объекта как электромагнитное поле и умений учитывать особенности его воздействия на измерительные процедуры в цепях с наведением ЭДС индукции, когда сами измерительные приборы становятся элементами замкнутых контуров; освоение правил техники безопасности с электробытовыми приборами, с электросчетчиками; с электродвигателями, с катушками больших с большими коэффициентами самоиндукции и трансформаторами; развитие исследовательских умений, основанных на знаниях как конкретно-предметного, так и методологического уровня.[72, 108, 131,147, 171, 174]
3. Творческая деятельность, т. е. формирование приемов интеллектуальной и практической деятельности для разрешения проблем. Изучение ЭМИ дает для творческой деятельности учащихся значительный простор так, как объяснение и предсказание наблюдаемых явлений можно проводить на уроках изучения новых знаний, на уроках решения задач [12, 86], на уроках по выполнению лабораторных работ и работ физического практикума на разных уровнях методологии физики, с использованием различных физических и математических моделей - фундаментальной (Фарадея-Максвелла) и частной (Лоренца), на основе которых учащиеся могут реализовать триаду вычислительной физики «модель - алгоритм - программа» различными способами.
Уровни методологии физики необходимые для разработки содержания учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении электромагнитной индукции
Основные тенденции развития обучения физике связаны как с социальным заказом, так и с внутренней логикой развития физики как науки, которая характеризуется в настоящее время превращением классической диады «теоретическая физика — экспериментальная физика» в триаду «теоретическая физика - экспериментальная физика -вычислительная физика». Методологизация и повышение научного уровня курсов физики базовой и профильной полной средней школы в настоящее время тесно связаны с широким внедрением персонального компьютера как в науку, так и в систему образования.
Внедрение электронно-вычислительной техники в учебный процесс позволяет проводить отбор изучаемого материала на всех уровнях обучения, исходя из соображений научной и профессиональной целесообразности, а не доступности соответствующих математических средств. Это приводит к возможности построения курса физики на основе ее общих методологических принципов, что позволяет добиваться высшей степени физического понимания — умения предсказывать характер протекания различных процессов и даже новые физические явления [67, 69, 75]. При таком подходе к изучению физики доминирует роль общих идей и качественных методов исследования, таких как методы симметрии и физического подобия, размерности, суперпозиции, относительности, толерантности и др.
Основанный на использовании качественных методов и различных уровней методологии подход к изучению физики позволяет последовательно рассматривать «образование как учебную модель науки» (А. А. Самарский, А. С. Кондратьев). Согласно этой модели, необходим переход от «справочного» знания к образованию «научному», являющемуся в определенном смысле моделью науки и отражающему динамику научно-технического прогресса. Сущность научного образования - сочетание необходимого минимума фундаментальных знаний с новой интенсивной технологией исследований, служащей универсальным средством, не зависящим от отраслевой специфики. Такой технологией исследований в настоящее время является математическое моделирование.
В рамках обозначенного подхода физика должна занимать в системе образования такое же положение, как и математика, являясь строгой научной основой всех специальных прикладных дисциплин. По-видимому, именно на этом пути может быть обеспечен фундаментальный характер образования, обусловленный как внутренней логикой развития системы научного и инженерного знания, так и конкретными социальными потребностями общества в модернизации образования. Электромагнитная индукция является ярким примером тесного сплетения фундаментальных научных и инженерных знаний.
Для конструирования содержания учебно- познавательной деятельности учащихся при изучении электромагнитной индукции как важного элемента образования как учебной модели науки рассмотрим уровни методологии физики, которые учащиеся должны научиться уверенно применять как для глубокого и неформального усвоения данной темы, так и для того чтобы последующие разделы школьного курса могли бы быть изучены в рамках рассматриваемой учебной модели науки.
Выбор ЭМИ для изучения его в виде элемента образования как учебной модели науки не случаен. Явление электромагнитной индукции обладает широким простором для использования при изучении конкретных законов и параллельно частных моделей электродинамики, фундаментальных законов физики и параллельно фундаментальных физических моделей, а также методологических принципов физики. При изучении электромагнитной индукции можно отработать многие основные принципы, закономерности, уровни методологии физики как науки, которые в дальнейшем будут применимы в любых областях физики, в том числе принцип относительности, симметрии, суперпозиции, толерантности, аналогии, графический метод, метод анализа размерности и др. В тоже время электродинамика вообще и электромагнитная индукция в частности имеют ряд существенных особенностей отличающих их от других разделов физики, которые необходимо учитывать при изучении данной темы. Реализация разноуровневого методологического подхода позволяет учащимся глубоко усвоить конкретные знания по теме и накопить опыт разностороннего взгляда на изучаемое явление. А именно это важно для получения объективных результатов об изучаемом объекте и составляет содержательную основу совершенствования познавательной деятельности школьников как деятельности исследовательского характера. Накопленный опыт исследовательской деятельности оказывается применимым во многих других сферах человеческой деятельности, с которыми столкнуться выпускники школы.
Структура и основное содержание педагогического эксперимента
Рассмотрение явления ЭМИ позволяет сделать вывод о существовании связи между электрическим и магнитным полями до изучения элементов теории относительности. Единство электромагнитного поля наглядно проявляется в относительности V электрического и магнитного полей. Построим дальнейшие рассуждения на обобщении передового опыта преподавания физики в физико-математических классах Академической гимназии Санкт-Петербургского университета, отраженном в [Дмитриев М. Н. Электромагнитное поле. 10-11 класс. - СПб., 1995. 26 с].
Точечный заряд q, равномерно движущийся со скоростью v, создает вокруг себя электрическое и магнитное поле. При скоростях v « с эти поля таковы Через г обозначен радиус-вектор, идущий от заряда q в точку наблюдения поля. Выражение для Е описывает кулоновское поле, создаваемое зарядом q. Выражение для В получено из закона Био - Савара - Лапласа.
При этом исходили из того, что поле В, даваемое законом Био - Савара -Лапласа для элемента тока (создаваемого движущимся зарядом), является суммой полей, создаваемых всеми движущимися носителями заряда в
элементе dl провода с током. Заменяя idl на Nqv и деля на N приходим ко второй формуле (2.2.4-1).
Если мы перейдем в систему отсчета, движущуюся вместе с зарядом q, то в этой системе отсчета заряд q покоится, следовательно, не может создавать магнитного поля. Таким образом, магнитное поле, существующее в одной системе отсчета, в другой системе отсчета отсутствует.
Такая же ситуация возможна и для электрического поля. Если мы проносим мимо неподвижного проволочного контура магнит, то переменное поле этого магнита порождает вихревое электрическое поле и в результате в проволоке течет ток. Ток можно зарегистрировать с помощью микроамперметра, включенного в контур. Перейдем в систему отсчета, связанную с магнитом. В этой системе отсчета магнит неподвижен и, следовательно, электрическое поле отсутствует.
Ток в проволоке, тем не менее, течет по-прежнему. Это легко объяснить: в новой системе отсчета проволочный контур движется мимо неподвижного магнита и на заряды, находящиеся внутри проволоки и движущиеся вместе с ней, со стороны магнитного поля действует сила Лоренца, вызывающая в конечном итоге ток в проволочном контуре.
Из приведенных рассуждений можно сделать вывод о существовании в природе единого электромагнитного поля, проявляющего себя различным образом в различных системах отсчета. Другой вывод состоит в том, что эти проявления электромагнитного поля в разных системах отсчета тесно связаны друг с другом. Показания микроамперметра одинаковы независимо от того, что движется, - контур или магнит. Эта связь основывается на эквивалентности различных инерциальных систем отсчета, закрепленной в фундаментальном принципе относительности, на котором базируется теория относительности, созданная А. Эйнштейном.
В данном параграфе уместно вспомнить слова А. Эйнштейна «... электромоторная сила играет роль вспомогательного понятия, которое своим введением обязано тому обстоятельству, что электрические и магнитные поля не существуют независимо от состояния движения координатной системы.» [184]. В качестве наглядного подтверждения этих слов целесообразно использовать в учебном процессе не только приведенные выше рассуждения, но и униполярный индуктор. Униполярная индукция - возникновение ЭДС в намагниченном теле, движущемся не параллельно оси намагничивания. [91, 93, 119, 146, 151, 155] При этом ЭДС направлена перпендикулярно плоскости, в которой расположены векторы магнитной индукции В и скорости V магнита. Это явление используется в униполярных генераторах постоянного тока. Наиболее часто применяются два типа униполярных индукторов. Они изображены соответственно на рис. 2.2.4-1 и 2.2.4-2 Индуктор, изображенный на рис. 2.2.4-1, представляет собой цилиндрический магнит, вращаемый относительно рамки ABCDE, образующей с магнитом замкнутый контур при помощи скользящих контактов А и Е.
Похожие диссертации на Изучение электромагнитной индукции в средней школе
