Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование методологических знаний учащихся при изучении радиофизики в средней (полной) школе
1. Психолого-педагогические аспекты формирования методологических знаний старшеклассников
2. Значение, место и роль методологических знаний при изучении физики в средней (полной) школе
3. Система методологических знаний при изучении радиофизики
4. Анализ научно-методической литературы по теме исследования
Выводы по главе 1
Глава 2. Методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе
1. Элективные курсы в системе профильного обучения
2. Цели, задачи и содержание элективного курса радиофизики в профильной школе
3. Формы, методы и средства изучения элективного курса радиофизики в профильной школе
4. Повышение ИКТ-грамотности учащихся при изучении элективного курса радиофизики
Выводы по главе 2
Глава 3. Педагогический эксперимент и его результаты
1. Цели, задачи, организация педагогического эксперимента
2. Результаты констатирующего эксперимента
3. Результаты обучающего эксперимента
4. Результаты контрольного эксперимента
Выводы по главе
Заключение
Список использованной литературы
- Значение, место и роль методологических знаний при изучении физики в средней (полной) школе
- Анализ научно-методической литературы по теме исследования
- Цели, задачи и содержание элективного курса радиофизики в профильной школе
- Результаты констатирующего эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Формирование у учащихся представлений о современной физической картине мира (ФКМ) — одна из ведущих целей школьного физического образования. Ее достижение во многом связано с овладением учащимися методологическими знаниями, под которыми в самом общем виде понимают знания о структуре и организации научного знания, а также знания о методах познания. Анализ психолого-педагогической литературы, посвященной возрастной психологии старшеклассников (Л.С. Выготский, И.С. Кон, Д.И. Фельдштейн, С.Н. Чистякова, Д.Б. Эльконин и др.), позволяет сделать вывод о том, что в период ранней юности возможно формирование методологических знаний. При этом они оказывают положительное влияние на познавательный интерес, мотивационную сферу и профессиональное самоопределение старшеклассников.
Если определить научную дисциплину, которая одновременно содержала бы методологические знания и обладала характерными особенностями современной физики (междисциплинарность научных исследований, широкое применение методов вычислительной математики в научных исследованиях и др.), то это позволит формировать у учащихся представления о современной ФКМ. Такой научной дисциплиной является радиофизика. Будучи одним из важнейших разделов современной физики, радиофизика обладает ее характерными особенностями и содержит научный, технический и гуманитарный аспекты, входящие в систему методологических знаний при изучении этой дисциплины в школе.
Анализ научно-методической литературы по теме исследования позволяет сделать следующие выводы: вопросы радиофизики недостаточно представлены в школьном курсе физики; радиофизику как учебную дисциплину следует изучать в рамках профильной школы на старшей ступени обучения; содержание учебного материала по радиофизике должно быть связано с курсом физики средней (полной) школы (профильный уровень) и расширено, с учетом того, что радиофизика обладает научным, техническим, гуманитарным аспектами, и ей присущи внутрипредметные и межпредметные связи.
Для изучения сложных вопросов радиофизики в школе целесообразно использовать элективный курс. Элективный курс радиофизики направлен на разрешение следующих актуальных проблем современного школьного образования: формирование у учащихся представлений о современной ФКМ, повышение ИКТ-грамотности и познавательного интереса к физике. Кроме того, изучение курса, тематика которого охватывает различные области науки и техники, современные технологии, производство, здравоохранение, СМИ и общую культуру современного цивилизованного общества, позволяет учащимся оказать психолого-педагогическую помощь в выборе сферы будущей профессиональной деятельности.
Необходимость внедрения элективного курса радиофизики в учебный процесс профильной школы обусловлена современными целями образования, когда задача развития личности учащегося становится приоритетной среди всех остальных задач обучения, а также содержанием современного школьного образования, которое сегодня уже немыслимо без элементов, отражающих суть и дух науки XX–ХХI вв. (Н.Е. Важеевская, В.А. Ильин, Г.Ф. Михайлишина, В.Г. Разумовский, Л.В. Тарасов и др.). Учитывая стремительный рост научного знания, технологизацию средств его производства, актуальность подготовки высококвалифицированных специалистов, способных к профессиональному росту и профессиональной мобильности в условиях информатизации общества и развития новых наукоемких технологий, необходимость формирования современного научного стиля мышления и научного мировоззрения, радиофизику следует изучать не как систему готовых знаний, а как живой, динамично развивающийся организм. Учащихся следует познакомить с историей развития и современными достижениями важнейших направлений радиофизических исследований, с научными биографиями творцов радиофизики, экспериментами, оказавшими основополагающее влияние на развитие радиофизики, практическими применениями радиофизических знаний. Для этого необходимо разработать методическую систему изучения элективного курса радиофизики с использованием мультимедийных технологий, обладающих большой вариативностью изложения учебного материала.
Однако методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий в научно-методических работах не разрабатывалась. Таким образом, наблюдается противоречие между необходимостью изучения радиофизики в профильной школе и недостаточностью научно-методической разработки и практической реализации этой задачи. Это определяет актуальность диссертационного исследования и его тему «Методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий».
Проблема исследования состоит в разрешении противоречия между необходимостью изучения радиофизики в профильной школе и недостаточной разработанностью методической системы изучения элективного курса радиофизики с использованием мультимедийных технологий.
Цель исследования: обосновать и разработать методическую систему изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий.
Объект исследования — процесс обучения физике учащихся старших классов профильной школы.
Предмет исследования — методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий.
Гипотеза исследования: эффективность обучения радиофизике в профильной школе повысится, если разработать элективный курс, включающий цели, задачи, содержание, формы, методы и средства изучения с широким использованием мультимедийных технологий.
Задачи исследования:
-
выявить психолого-педагогические, содержательные и организационно-методические аспекты обучения радиофизике в профильной школе;
-
определить цели, задачи и разработать содержание элективного курса, изучение которого способствует формированию у учащихся представлений о современной ФКМ, подготовке к выбору сферы будущей профессиональной деятельности, повышению ИКТ-грамотности и познавательного интереса к физике;
-
обосновать совокупность форм, методов и средств изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий;
-
осуществить экспериментальную проверку эффективности разработанной методической системы изучения элективного курса радиофизики в профильной школе.
Методологическую основу исследования составляют:
положения современных педагогических и психологических концепций, работы, посвященные возрастной психологии старшеклассников, развитию их познавательных способностей, проблеме мотивации (Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев, Д.И. Фельдштейн, М.А. Холодная, Д.Б. Эльконин, И.С. Якиманская и др.), профессиональному самоопределению учащихся (Е.И. Головаха, А.В. Захарова, И.С. Кон, С.Н. Чистякова и др.);
основополагающие идеи отечественных педагогов по проблеме формирования научного мировоззрения у учащихся средней (полной) школы (Г.М. Голин, В.Ф. Ефименко, Л.Я. Зорина, Ю.А. Коварский, В.Н. Мощанский, В.В. Мултановский, В.Г. Разумовский, Ю.А. Сауров, А.В. Усова, Н.В. Шаронова и др.);
концепция физического образования, разработанная в лаборатории физического образования ИСМО РАО (Ю.И. Дик, И.И. Нурминский, В.А. Орлов, В.Г. Разумовский, А.А. Фадеева и др.);
концепция профильного обучения на старшей ступени общего образования (2002 г.) (О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева и др.);
национальная доктрина образования в РФ на период до 2025 г.;
теоретические и практические основы преподавания элективных курсов в профильной школе (С.Ю. Астанина, О.Ф. Кабардин, О.Е. Лебедев, П.С. Лернер, В.А. Орлов, Н.С. Пурышева, И.В. Разумовская и др.);
вопросы методики преподавания основ современной физики и ее истории в педагогическом вузе и в профильной школе (В.А. Ильин, О.Ф. Кабардин, Г.Ф. Михайлишина, И.И. Нурминский, Н.С. Пурышева, Ю.А. Сауров, Л.В. Тарасов, Ю.В. Федорова и др.).
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования.
-
Теоретические методы — изучение и анализ научной, методической, психолого-педагогической литературы, диссертаций по теме исследования, примерных программ и учебников для основной и средней (полной) школы (базовый и профильный уровни) с точки зрения содержания в них элементов радиофизики.
-
Экспериментальные методы — наблюдение, беседы, анкетирование, тестирование; педагогический эксперимент с целью проверки гипотезы исследования и определения эффективности разработанной методической системы изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий; обработка и анализ результатов педагогического эксперимента методами математической статистики.
Экспериментальная работа велась в течение 2006–2010 гг. на базе факультета физики и информационных технологий Московского педагогического государственного университета, кафедры физики Камской государственной инженерно-экономической академии, кафедры общей физики Пензенского государственного педагогического университета, физико-математического факультета Борисоглебского государственного педагогического института и в московской школе № 354 в 10–11 классах физико-математического профиля. В педагогическом эксперименте приняли участие 32 учителя, посетивших курсы повышения квалификации учителей физики при вышеуказанных учебных заведениях. Элективный курс «Радиофизика: история, открытия, современность» прослушали 25 учащихся 10–11 классов физико-математического профиля школы № 354 г. Москвы.
Этапы исследования. Исследование проводилось в три этапа.
На первом этапе (2006–2007 гг.) — констатирующий эксперимент — проводилось изучение и анализ научной, методической, психолого-педагогической литературы, примерных программ и учебников по физике для основной и средней (полной) школы (базовый и профильный уровни), диссертаций по теме исследования; анкетирование учителей физики. При этом была обоснована актуальность разработки методической системы изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий.
На втором этапе (2008–2009 гг.) — обучающий эксперимент — было определено содержание учебного материала по радиофизике для обучения в профильной школе: выявлены магистральные направления радиофизических исследований на основе анализа тематики Нобелевских премий, разработаны содержательные схемы изучения учебного материала. Это позволило подготовить мультимедийные лекции по радиофизике, составить программу элективного курса «Радиофизика: история, открытия, современность», выбрать соответствующие формы, методы и средства изучения. В этот период были установлены критерии и показатели эффективности обучения учащихся профильной школы вопросам радиофизики.
Третий этап (2009–2010 гг.) — контрольный эксперимент — включал в себя проверку выдвинутой гипотезы исследования, продолжение чтения элективного курса радиофизики в 11 классе физико-математического профиля школы № 354, анкетирование и тестирование учащихся, обработку и обобщение результатов экспериментальной работы.
Научная новизна исследования:
-
определены психолого-педагогические, содержательные и организационно-методические аспекты обучения радиофизике в профильной школе;
-
обоснована целесообразность изучения сложных вопросов радиофизики в рамках элективного курса, направленного на формирование у учащихся представлений о современной ФКМ, подготовку к выбору сферы будущей профессиональной деятельности, повышение ИКТ-грамотности и познавательного интереса к физике;
-
разработана методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий, включающая в себя цели, задачи, содержание, формы (мультимедийная лекция, семинар, практикум, учебная конференция, урок контроля знаний), методы (словесные, наглядные, практические, проблемно-поисковые, методы формирования познавательного интереса, мультимедийное изложение учебного материала, индивидуальный и фронтальный опросы, тестовая проверка знаний) и средства (учебные и методические материалы, ПК, мультимедийный проектор, интерактивная доска) изучения.
Теоретическая значимость исследования заключается в том, что теоретически обоснована методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе с использованием мультимедийных технологий.
Практическая значимость исследования состоит в:
-
разработке программы элективного курса «Радиофизика: история, открытия, современность»;
-
создании комплекса мультимедийных лекций к элективному курсу «Радиофизика: история, открытия, современность»;
-
составлении заданий для диагностики усвоения учащимися профильной школы вопросов радиофизики.
Материалы исследования могут быть использованы при чтении спецкурсов по физике и ее истории в педагогических вузах.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечиваются исходными методологическими и теоретическими положениями; применением комплекса методов и приемов, адекватных цели, задачам и гипотезе исследования; применением непараметрических методов математической статистики.
Апробация и внедрение работы. Результаты исследования обсуждались и получили одобрение на различных российских и международных научно-методических и научно-практических конференциях, проходивших в период с 2006 г. по 2009 г. Основные положения и результаты экспериментальной работы докладывались на Международной научно-методической конференции «Управление качеством подготовки будущих учителей физики и трудового обучения». г. Каменец-Подольский, Украина, 2006 г.; Научно-практической конференции «Информационно-коммуникационные технологии в подготовке учителя технологии и учителя физики». г. Коломна, 2007 г.; IX Международной конференции «Физика в системе современного образования» (ФССО-07). г. Санкт-Петербург, 2007 г.; VII Международной научно-методической конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». г. Москва, 2008 г.; XIV Научно-методической конференции «Стратегия развития образования: эффективность, инновации, качество», посвященной 55-летию МГУТУ. г. Москва, 2008 г.; Международной научно-методической конференции «Управление качеством подготовки будущих учителей физики и трудового обучения». г. Каменец-Подольский, Украина, 2009 г. и др.
Результаты исследования по материалам диссертации обсуждались на заседаниях кафедры общей и экспериментальной физики (КОЭФ) МПГУ, научном семинаре в Институте истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова (ИИЕТ РАН), заседаниях лаборатории физического образования ИСМО РАО. Элективный курс «Радиофизика: история, открытия, современность» внедрен в практику работы ГОУ СОШ № 354 г. Москвы.
По теме исследования опубликовано 8 научно-методических работ.
На защиту выносится методическая система изучения элективного курса радиофизики в профильной школе:
-
обучение радиофизике в профильной школе может быть реализовано в виде элективного курса;
-
основными целями изучения радиофизики являются формирование у учащихся представлений о современной ФКМ, оказание психолого-педагогической помощи в выборе сферы будущей профессиональной деятельности, повышение ИКТ-грамотности и познавательного интереса к физике;
-
выполнение задач изучения радиофизики предполагает знакомство учащихся с историей развития и современными достижениями магистральных направлений радиофизических исследований, научными биографиями творцов радиофизики, экспериментами, оказавшими основополагающее влияние на развитие радиофизики, практическими применениями радиофизических знаний;
-
содержание учебного материала по радиофизике конструируется на основе дидактических принципов: научности и доступности, систематичности и последовательности, системности, а также анализа содержания радиофизических исследований, удостоенных Нобелевских премий по физике;
-
формами изучения элективного курса радиофизики являются мультимедийная лекция, семинар, практикум, учебная конференция, урок контроля знаний, к методам изучения относятся словесные, наглядные, практические, проблемно-поисковые, методы формирования познавательного интереса, мультимедийное изложение учебного материала, индивидуальный и фронтальный опросы, тестовая проверка знаний, средствами изучения являются учебные и методические материалы, ПК, мультимедийный проектор, интерактивная доска.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии, состоящей из 297 наименований и 11 приложений. Общий объем диссертации составляет 249 страниц: 165 страниц основного текста, 18 таблиц, 27 рисунков.
Значение, место и роль методологических знаний при изучении физики в средней (полной) школе
По мнению автора, этот комплекс следует вводить в учебный процесс в виде схем изложения различных видов знаний, небольших фрагментов (история научных открытий). При этом материал необходимо представлять в соответствии со структурой научной теории. Методологические знания «следует преимущественно включать в канву предметного материала, применив в качестве опорных предметные знания» [77].
В диссертационном исследовании мы придерживаемся третьего уровня методологии. Методология конкретной науки занимается кругом специфических проблем, к важнейшим из которых относятся [157]: анализ принципов, концепций, теорий, подходов; проработка понятийного аппарата познавательного процесса и соответствующей терминологии, языка исследований; описание и анализ исследовательского процесса, его этапов и фаз; изучение сфер применимости различных методов, процедур, технологий; разработка отдельных методов (от всеобщих до частных).
В 3 главы рассмотрены предмет и методы радиофизики (конкретная научная методология), и показано, что усвоение методологических знаний при изучении этой дисциплины способствует формированию у учащихся представлений о современной физической картине мира (ФКМ) (т. е. изучаются вопросы общенаучной методологии).
Как подчеркивает М.А. Холодная, современная средняя (полная) школа должна быть ориентирована на совершенствование уровня развития интеллектуальных возможностей каждого учащегося [258]. В связи, с этим важно определить психолого-педагогические аспекты формирования методологических знаний учащихся. Процесс формирования методологических знаний неразрывно связан с психологическими особенностями личности учащихся, мотивами их поведения и деятельности. Поскольку в диссертационном исследовании рассматривается процесс формирования методологических знаний при изучении радиофизики в средней (полной) школе, то становится актуальным учет возрастных особенностей раннего юношеского возраста.
Этапу ранней юности принадлежит особая роль в психологии развития и формирования личности учащихся [20, 33, 37, 74, 102, 202]. Ранняя юность — период повышенной мыслительной активности, значительного роста продуктивности мышления, склонности к теоретизированию.
Основной особенностью, как указывают И.С. Кон и Д.И. Фельдштейн [103], в периоде ранней юности является нарастающая способность к абстрактному мышлению, «изменение соотношения между конкретнообразным и абстрактным мышлением в пользу последнего». «Важная особенность этого возраста, — продолжают авторы, — формирование активного, самостоятельного творческого мышления». Таким образом, развитие интеллекта тесно связано с развитием творческих способностей. У старшеклассников, как отмечает Д.И. Фельдштейн [103], от 15 до 17 лет идет развитие абстрактного и логического мышления, рефлексия собственного жизненного пути, стремления к самореализации.
Формирование методологических знаний опирается на развивающееся абстрактное и логическое мышление. Абстрактно-логическое мышление определяется как психологический процесс познания, предполагающий использование выделенных свойств объекта (абстракций) и определенных последовательностей на основе причинно-следственных (логических) связей.
В возрасте ранней юности, как указывает Дж. Брунер [20], обучение может стать ведущим фактором интеллектуального развития, если оно предоставит учащемуся возможность самому форсировать свое развитие. В связи с этим остро ощущается необходимость использования дифференцированного подхода к обучению, который бы стимулировал самостоятельность и творчество учащихся. В основе дифференциации обучения лежит известное концептуальное положение Л.С. Выготского о двух уровнях умственного развития [37]. Обучение должно опираться не столько на достигнутый уровень умственного развития, сколько на те интеллектуальные особенности, которые еще отсутствуют, но для возникновения которых уже имеются предпосылки (зона «актуального развития»). Этот уровень составляет запас знаний и умений, сформированных у учащегося. Второй уровень («зона ближайшего развития») определяет «умственное развитие на завтрашний день». При этом самостоятельность и творческие способности учащегося в процессе обучения не только улучшают его непосредственные результаты, но и оказывают благотворное влияние на умственные способности и черты личности.
Взаимосвязь познания и становления личности раскрыта в фундаментальном труде Б.Г. Ананьева [5]. Важным фактором познания является согласование научного и учебного знаний. Содержание учебного предмета должно воспроизводить адекватную науке систему знаний и методов познания. Как отмечает И.С. Якиманская, познавательная деятельность ученика строится как деятельность научного познания, основным атрибутом которого является теоретическое мышление, где отношения человека и мира воспроизводятся как объектно-субъектные отношения [282]. Таким образом, методологические знания способствует формированию целостной картины мира.
Существуют противоречия, которые нельзя, на наш взгляд, эффективно разрешить без формирования у учащихся представлений о научном методе исследований. Во-первых, между желанием учащихся глубже изучить школьный предмет и имеющимися знаниями, а также малоэффективными способами их приобретения в процессе обучения. Во-вторых, между устойчивым познавательным интересом учащихся и необходимостью его поддержания и развития в процессе обучения. Отметим некоторые способы разрешения этих противоречий [4, 16].
Анализ научно-методической литературы по теме исследования
Принципиально новых изменений в содержании раздела «Электромагнитные колебания и волны» не предполагается, хотя предложен современный вариант выполнения фронтальной лабораторной работы по изучению свойств электромагнитных волн (с помощью мобильного телефона).
Тем не менее, в содержании курса физики основной школы появился новый раздел — «Строение Вселенной», посвященный методам исследования небесных тел [188]. Его введение связано с тем, что астрономия как учебная дисциплина исключена из базисного учебного плана. Но без базовых знаний в области астрономии сформировать у учащихся представления о современной ФКМ невозможно. Таким образом, введение раздела «Строение Вселенной» в содержание курса физики основной школы обосновано.
Проведенный анализ содержания курса физики основной школы, позволяет сделать вывод о том, что элементы радиофизики практически в нем не отражены. В связи с этим, рассматривать примерные программы и учебники по физике для основной школы на предмет содержания в них элементов радиофизики не имеет большого смысла.
Проанализируем программы и учебники по физике для средней (полной) школы (базовый и профильный уровни). Анализ учебников по физике для средней (полной) школы (базовый уровень) выявил, что в некоторых из них содержатся элементы радиофизики. В качестве примера рассмотрим линию учебников С.А. Тихомировой и Б.М. Яворского «Физика. 10-11 классы (базовый уровень)» [232, 233]. Все главы учебников заканчиваются небольшими экскурсами в историю создания и развития того или иного раздела физики. В связи с этим, данные учебники можно использовать для преподавания физики в классах гуманитарного профиля.
В учебнике 10 класса нас заинтересовала, прежде всего, глава 12, в которой изучается электрический ток в различных средах и рассказывается об истории развития электронных представлений.
Учебник 11 класса состоит из трех частей: «Электродинамика» (продолжение: начальные сведения по электродинамике излагались в курсе физики 10 класса), «Физика XX века» и «Вселенная». При этом идеи современной физики раскрываются в основном на качественном уровне с преобладанием наглядного, образного способа изложения. В первой части представлены следующие параграфы: «Электромагнитные волны», «Экспериментальное исследование электромагнитных волн», «Понятие о радиосвязи», «Применение радиоволн», « Электродинамическая картина мира» (для.дополнительного изучения). Во второй части учебника имеется параграф, рассказывающий об устройстве, действии и применениях лазеров.
В заключительной части учебника даются краткие представления о таких космических объектах как нейтронные звезды, пульсары, черные дыры, радиогалактики, квазары. Кроме того, обсуждаются современные научные взгляды на строение Вселенной, в частности, модель расширяющейся Вселенной Фридмана; имеется также краткая информация о происхождении и открытии реликтового излучения.
Учебный материал исторического содержания включает в себя следующие темы. «Героический период» электротехники (имеются в виду 80-е гг. XIX в., вошедшие в историю техники под названием «трансформаторных битв» или «войны токов»). Из истории развития средств связи.
Таким образом, в рассматриваемых учебниках содержатся, некоторые элементы радиофизики. Особый интерес представляют исторические обзоры, тематика которых связана с историей развития радиофизики. Однако практически все найденные элементы относятся к элементам радиофизики I группы. Содержание в учебниках элементов радиофизики II группы представлено лишь краткими теоретическими сведениями, и их явно недостаточно для целостного изучения вопросов радиофизики в школе.
Рассмотрим содержание программ среднего (полного) образования по физике- (профильный уровень) [184] с точки зрения содержания в них элементов радиофизики. Для удобства воспользуемся таблицей 3. Отметим, что в анализ включены в основном программы к комплектам учебников по физике профильного уровня, рекомендованным Министерством образования и науки РФ на 2010/2011 учебный год [181]. Правда, в этом рассмотрении есть одно исключение — программа по физике профильного уровня В.А. Касьянова. (Учебники, написанные под эту программу, не попали в указанный перечень.)
Из таблицы видно, что во всех программах широко представлены элементы радиофизики I группы. По сравнению с курсом физики основной школы более подробно рассмотрены темы «Электромагнитные волны» и «Электрический ток в вакууме, полупроводниках». Таким образом, при создании курса по радиофизике имеются необходимые сведения о физических теориях, составляющих ее фундамент.
Что касается элементов радиофизики II группы, то наиболее раскрытым научным направлением, с точки зрения содержания, является радиотехника. В приведенных программах рассмотрены принципы радиосвязи, амплитудная модуляция и детектирование; имеются краткие сведения об истории изобретении радио А.С. Поповым, о распространении радиоволн, радиолокации, радиовещании.
Цели, задачи и содержание элективного курса радиофизики в профильной школе
Интерес исследователей к спиновой электронике возник в 1988 г., в связи с открытием эффекта гигантского магнетосопротивления (ГМС). Открытие было сделано независимо двумя научными группами во главе с А. Фертом и П. Грюнбергом.
В 2009 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Ч. Као, У. Бойлу и Дж. Смиту за исследования в области информационных технологий. Као стоял у истоков оптоволоконной технологии передачи данных, а Бойл и Смит изобрели полупроводниковое устройство, позволяющее напрямую, минуя фотопленку, получать цифровые фотографии.
В 2010 г. Нобелевской премии по физике удостоены А. Гейм и К. Новоселов за «передовые опыты с двумерным материалом — графеном». Высокая подвижность зарядов вместе с атомарной толщиной делают графен идеальным материалом для создания миниатюрных и быстрых полевых транзисторов — «кирпичиков» современной микроэлектронной промышленности.
Наконец, еще одним Нобелевским «направлением» в радиофизике можно считать радиоастрономию. Английский ученый М. Райл вместе с коллегами работал над повышением разрешающей способности радиотелескопов. Расположив две антенны на расстоянии многих длин волн друг от друга, Райл подключил их к одному приемнику. Используя этот простой радиоинтерферометр, ему удалось определить местоположение нескольких так называемых радиозвезд. В дальнейшем Райл создал несколько радиотелескопов с большей апертурой, благодаря которым он сделал ряд фундаментальных открытий в радиоастрономии.
В 1974 г. М. Райл и другой английский астроном Э. Хьюиш были удостоены Нобелевской премии по физике «за пионерские исследования в радиоастрофизике». Под руководством Э. Хьюиша аспирантка Кембриджского университета Дж. Белл проводила поиск радиоисточников с быстро и заметно меняющейся амплитудой сигнала. Проводя круглосуточные исследования, Белл обнаружила быстропеременный источник — «помеху» на длине волны 3,5 м (85,7 МГц), которая наблюдалась даже ночью, когда мерцающих источников не должно было быть. По импульсному характеру излучения эти источники были названы пульсарами.
Открытие пульсаров в 1967 г. стало крупнейшей вехой в развитии радиоастрономии наряду с открытыми за несколько лет до этого квазарами и реликтовым излучением (см. ниже). Следующим крупным достижением радиоастрономии принято считать обнаружение двойных пульсаров.
Нобелевская премия по физике 1993 г. была присуждена американским астрофизикам Дж. Тэйлору-мл. и Р. Халсе за открытие и исследование первого двойного радиопульсара PSR 1913 + 16. Открытие было сделано на радиотелескопе Аресибо летом 1974 г. Халсе, который в то время был аспирантом у Тэйлора.
Оказалось, что источник представляет собой быстровращающуюся сверхплотную нейтронную звезду с сильным магнитным полем, которая входит в состав двойной системы и движется по очень вытянутой орбите с периодом 6,75 ч.
Уникальным достижением радиоастрономии является открытие реликтового излучения. В 1965 г. американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили постоянное слабое излучение, исходящее из каждой точки небесной сферы. Существование подобного излучения, заполняющего Вселенную, было предсказано Г.А. Гамовым и его сотрудниками, построившими первую модель Большого Взрыва еще в 1948 г. Когда был получен спектр этого излучения (оно представляло собой излучение абсолютно черного тела с температурой около 3 К) и доказана высокая степень его изотропии, данная модель стала общепринятой. В 1978 г. А. Пензиас и Р. Вильсон были удостоены Нобелевской премии по физике «за открытие микроволнового реликтового излучения». В дальнейшем проводились многочисленные исследования реликтового излучения, которые привели в конечном счете к открытию его анизотропии.
Благодаря исследованиям американского ученого Дж. Матера, который координировал работы по программе «СОВЕ» и руководил экспериментом «FIRAS», удалось выявить соответствие микроволнового фона излучению абсолютно черного тела. Другой американский ученый Дж. Смут был ответственен за разработку другого ключевого устройства «СОВЕ» — «DMR». Это устройство использовалось для обнаружения небольших флуктуации реликтового излучения по разным направлениям.
В 2006 г. Дж. Матеру и Дж. Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за «открытие планковской формы спектра космического фонового излучения и анизотропии космического фонового излучения».
Проведенный анализ не может считаться абсолютно точным, т. к. многие современные радиофизические открытия совершаются на стыке различных наук (см. выше). Тем не менее можно выделить несколько ведущих направлений радиофизических исследований. К их числу относятся: радиотехника, радиоспектроскопия, информационные технологии, радиоастрономия (схема № 3). В дальнейшем эти направления радиофизики мы будем называть магистральными [117].
Из схемы видно, что пальма первенства среди наиболее премированных направлений радиофизических исследований принадлежит радиоспектроскопии (8 Нобелевских премий, 18 лауреатов).
Результаты констатирующего эксперимента
Никто из учащихся не оценил качество мультимедийного продукта ниже 7 баллов. Почти половина учащихся (48 %) дали наивысшую оценку (10і баллов) качеству предоставленного им мультимедийного продукта. Это еще раз подтверждает полученный ранее вывод о высоком уровне исполнения мультимедийных лекций по радиофизике. Вопрос: Не жалеешь ли ты, что стал слушателем элективного курса радиофизики? Ответили: «Не жалею» — 22 человек (88 %),«Жалею» — 1 человек (4 %), «Затрудняюсь ответить» — 2 человека (8 %). Подавляющее число учащихся (88 %) не пожалели, что стали слушателями элективного курса радиофизики. Это свидетельствует об актуальности изучения курса в старших классах профильной школы.
Вопрос: Прослушав элективный курс радиофизики, подумай, принес ли он тебе какую-либо пользу? Что именно ты почерпнул из этого курса?
Прокомментируем наиболее распространенные ответы учащихся на этот вопрос. Учащиеся единогласны во мнении, что элективный курс радиофизики позволил им расширить научный и культурный кругозор. При этом фрагменты курса, связанные с программным материалом, удалось углубить, а новый материал успешно усвоить. Таким образом, курс способствовал систематизации уже имеющих знаний учащихся и овладению новыми знаниями. Учащиеся отметили, что они узнали много интересного об истории развития и современных достижениях радиофизики, о радиофизических приборах и установках и др.
Учащиеся отметили, что помимо посещения интересных мультимедийных лекций по радиофизике, они с большим энтузиазмом работали на семинарах. Значительную пользу они извлекли при подготовке творческих заданий. Учащиеся приобрели необходимые технологические навыки работы с информацией, развили информационно-деятельностную готовность. Приобретенные навыки будут полезны при дальнейшем обучении и в будущей профессиональной деятельности.
Вопрос: Связана ли твоя будущая профессиональная деятельность с какой-либо областью радиофизики? Ответили: «Да» — 15 человек (60 %) , «Нет» — 10 человек (40 %). да нет Этот вопрос задавался учащимся в первичной анкете № 2 {см. Приложение VII). Из сравнения полученных данных следует, что число учащихся, выразивших готовность связать свою будущую профессиональную деятельность с какой-либо областью радиофизики, возросло (с 20 до 60 %). При этом число учащихся, давших отрицательный ответ на этот вопрос до изучения элективного курса, снизилось (с 80 до 40 %). Полученные результаты были обработаны также с помощью непараметрических методов математической статистики {см. ниже).
Для подтверждения выдвинутой гипотезы исследования была проведена обработка результатов педагогического эксперимента с помощью непараметрических методов математической статистики [50, 66].
Для оценки роста познавательного интереса к учебному материалу по радиофизике наряду с наблюдениями использовалось анкетирование учащихся до и после изучения курса {см. анкету № 2, Приложение VII). По его результатам вычислялся коэффициент интересами по следующей формуле [51]: _ А-{+\) + В-(0) + С-(-\) где А — число учащихся, выразивших интерес к изучению радиофизики; В — число учащихся, индифферентно относящихся к изучению радиофизики; С — число учащихся, назвавших изучение радиофизики неинтересным; N — общее число учащихся. после 185 При обработке результатов анкетирования мы отнесли к группе В учащихся, которые ответили на вопрос № 1 {см. анкету № 2, Приложение VII) «затрудняюсь ответить». Результаты расчета коэффициента интереса приведены на гистограмме. Из нее видно, что коэффициент интереса учащихся до и после изучения курса возрос ( в 2,6 раз), что говорит о положительной динамике роста познавательного интереса учащихся к учебному материалу по радиофизике.
На контрольном этапе учащимся был предложен итоговый тест {см. Приложение XI). В нем содержалось 24 вопроса из всех тем курса, проверяющие знания учащимися научного, технического и гуманитарного аспектов радиофизики. Правильное выполнение задания оценивалось в 1 балл, невыполнение, или неправильное выполнение — в 0 баллов. Таким образом, сумма баллов каждого учащегося за выполнение всех заданий варьировалось от О до 24 баллов. При этом по каждому аспекту радиофизики эта сумма варьировалась от 0 до 8 баллов. Отметим, что до изучения элективного курса радиофизики учащимся был предложен этот же тест.
