Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Элективный курс «Термоэлектричество» в системе профильного обучения 15
1.1. Концепция элективных курсов по физике в системе профильного обучения на старшей ступени общеобразовательной школы 15
1.2. Формы учебных занятий и методы обучения, применяемые на элективных курсах 25
1.3. Обоснование выбора тематики элективного курса «Термоэлектричество». Принципы и критерии отбора его содержания 40
1.4. Программа элективного курса «Термоэлектричество» 45
Выводы по главе 53
Глава II. Методическая система обучения элективному курсу «Термоэлектричество» 55
2.1. Методика изучения термоэлектрических явлений и термоэлектрических преобразователей энергии в элективном курсе 55
2.2. Демонстрационные опыты в элективном курсе «Термоэлектричество» 87
2.3. Лабораторные и исследовательские работы по термоэлектричеству 98
2.4. Практические работы по термоэлектричеству 125
2.5. Дидактические возможности элективного курса «Термоэлектричество» 136
Выводы по главе 144
Глава III Методика проведения и результаты педагогического эксперимента по апробации элективного курса 146
3.1. Общая характеристика педагогического эксперимента 146
3.2. Содержание и результаты констатирующего и поискового этапов педагогического эксперимента 150
3.3. Содержание и результаты обучающего этапа педагогического эксперимента , 160
Выводы по главе 178
Заключение 179
Библиографический список 184
- Концепция элективных курсов по физике в системе профильного обучения на старшей ступени общеобразовательной школы
- Методика изучения термоэлектрических явлений и термоэлектрических преобразователей энергии в элективном курсе
- Общая характеристика педагогического эксперимента
Введение к работе
Принятая в 2001 г. Концепция модернизации российского образования [72] предусматривает введение профильного обучения в старших классах общеобразовательной школы. В ней определен круг главных задач образовательной политики, заключающихся в обеспечении современного уровня качества образования на основе сохранения его фундаментальности и соответствия актуальным и перспективным потребностям личности, общества, государства. Исходя из перечисленных задач, становится очевидным, что профильное обучение должно быть ориентировано не только на профессиональную ориентацию школьников, но и на формирование личности, обладающей высоким уровнем социальной активности, современным уровнем знаний, научным мировоззрением, диалектическим мышлением, владеющей методами научного познания.
Концепция профильного обучения подробно развита в трудах А. Ф. Киселева, В. А. Коровина, А. А. Кузнецова, П. С. Лернера, А. А. Пинского, П. С. Пурышевой, С. Н. Чистяковой и др. [5; 89; 92; 142; 160; 220]. Профильный характер обучения должен обеспечиваться за счет профильных и элективных курсов. Последние, являясь новым элементом школьного учебного плана, могут выполнять различные функции: дополнять содержание профильного курса; развивать содержание одного из базовых курсов; удовлетворять разнообразные познавательные интересы школьников, выходящие за рамки выбранного ими профиля. Набор профильных и элективных учебных предметов может составить индивидуальную образовательную траекторию для каждого школьника.
Согласно Федеральному базисному учебному плану, изучение физики на профильном уровне должно осуществляться в классах физико-математического, физико-химического и технологического профилей. Отсюда следует, что введение профильного обучения должно сопровождаться изменением содержания и методики проведения учебных занятий по физике, в
5
разработку которых внесли большой вклад С.В.Громов, Ю.И.Дик,
{ О. Ф. Кабардин, С. Е. Каменецкий, В.А.Коровин, В.А.Орлов,
A. А. Пинский, Н. С. Пурышева, В. Г. Разумовский, А. В. Усова,
Т. Н. Шамало и др. Разработка концепции элективных курсов еще не завер
шена, однако, очевидно, что она может быть создана с опорой на достижения
отечественной школы в области индивидуализации и дифференциации обу
чения, труды Ю. И. Дика, О. Ф. Кабардина, С. Е. Каменецкого, В. А. Орлова,
B. Г. Разумовского, А. В. Усовой и др. В настоящее время
В. А. Алешкевичем, В.С.Елагиной, О. Ф. Кабардиным, С. И. Кабардиной,
В. В. Майером, В. А. Орловым, Е. Б. Петровой, Н. С. Пурышевой,
Н.В.Шароновой, Н. И. Шефером и др. разработаны и опубликованы про
граммы ряда элективных курсов по физике [5; 18; 42; 47; 55; 69; 90; 103; 136;
143; 145; 1.64; 231], некоторые из них обеспечены учебно-методическими по
собиями.
Анализ опубликованных программ элективных курсов показал, что они направлены, в основном, на решение различных частных задач, стоящих перед профильным обучением, Представляется очевидной потребность в создании разнообразных элективных курсов, обеспечивающих реализацию широкого спектра образовательных задач, таких как: организация процесса научного познания учащимися; интеграция их знаний из различных разделов курса физики, имеющих, как правило, фрагментарный характер; обеспечение политехнической направленности обучения физике и преемственности между общим и профессиональным образованием. Многие из перечисленных проблем были исследованы в рамках отечественной теории и методики обучения физике. Вопросам организации научного познания при обучении физике посвящены работы В. В. Майера, Е. В. Оспенниковой, И. Г. Пустильника, В. Г. Разумовского и др.; проблемам политехнизации курса физики - труды А. А. Гайдабруса, В. В. Завьялова, Л. И. Резника, В. Г. Разумовского, А. В. Усовой, В. Ф. Юськовича и др.; изучению различных аспектов интеграции естественнонаучных знаний и реализации меж-
предметных связей в процессе обучения физике - работы М. Д. Даммер,
і Ю. И. Дика, В. С. Елагиной, И. К. Турышева, А. В. Усовой, Н. В. Федоровой,
О. А. Яворука и др. В значительно меньшей степени исследованы проблемы укрепления связей между различными разделами курса физики в процессе его изучения, интеграции знаний учащихся по физике.
Несмотря на появление ряда работ, посвященных профильному обучению, проблема методического обеспечения элективных курсов в целом остается не решенной. Изучение состояния системы организации профильного обучения и анализ научно-методической литературы позволяет выявить следующие противоречия:
между широким спектром задач, обусловленных введением системы профильного обучения, и недостаточной степенью разработки содержания и методов ее реализации;
между необходимостью разработки элективных курсов для классов физико-математического профиля, направленных на организацию научного познания школьников при изучении физики, и отсутствием теоретических основ построения элективных курсов, опирающихся на современные концепции учебного и научного познания;
между необходимостью усиления политехнической направленности процесса обучения физике, в том числе и в рамках элективного курса, и ориентацией практики школьного обучения на усвоение теоретических знаний;
между необходимостью формирования представлений о физической картине мира и недостаточной степенью интегративности физических знаний учащихся.
Все вышесказанное определяет актуальность выбранного направления исследования: обоснование и создание элективного курса по физике, который бы способствовал развитию познавательных интересов учащихся, их интеллектуальных и творческих способностей, интеграции знаний учащихся по различным разделам курса физики, самостоятельности в приобретении новых знаний.
Решение указанных проблем может быть реализовано в рамках элек-
I тивиого курса «Термоэлектричество». Несмотря на то, что термоэлектриче-
ские явления не входят в содержание программ базового и профильного уровней по физике, целесообразность изучения курса «Термоэлектричество» обусловлена рядом факторов: широким распространением полупроводниковых термоэлектрических преобразователей энергии в науке, на производстве и в быту; возможностью реализации при изучении термоэлектрических явлений связей между различными разделами курса физики и принципа политехнизма при изучении физики; возможностью развития интеллектуальных и экспериментальных умений учащихся; доступностью теории термоэлектрических явлений для учащихся; отсутствием необходимости в использовании дефицитных измерительных приборов при постановке лабораторного практикума и демонстрационного эксперимента; применением термопар в школьном физическом эксперименте.
Все это определило тему исследования: «Методика изучения элективного курса «Термоэлектричество» в классах физико-математического профиля».
Цель исследования - разработать концепцию, содержание и методику изучения элективного курса «Термоэлектричество» в классах физико-математических профиля.
Объектом исследования является учебно-воспитательный процесс обучения физике в условиях профилизации образования на старшей ступени общеобразовательной школы.
Предмет исследования: содержание, методы обучения и формы проведения учебных занятий элективного курса «Термоэлектричество», обеспечивающие преемственность между средним и профессиональным высшим образованием.
Гипотеза исследования: элективный курс «Термоэлектричество» будет развивать и дополнять содержание профильного курса физики, расширяя знания учащихся о тепловых и электрических явлениях, способствовать pea-
8 лизании принципа политехнизма в обучении, формированию экспериментальных умений учащихся, если
1, содержание курса будет:
включать в адаптированном виде описание и объяснение термоэлектрических явлений, их применения в науке, технике и в обучении физике;
отражать структуру физической теории; включать учебный физический эксперимент различного вида, в том числе учебные исследования, практические работы и проектную деятельность учащихся;
2. методика изучения элективного курса будет:
базироваться на проблемном, эвристическом и исследовательском методах;
включать использование методов аналогии и сравнения реализующих интеграцию знаний учащихся о тепловых и электрических явлениях.
В соответствии с поставленной целью и гипотезой были определены следующие задачи исследования:
Проанализировать современное состояние проблемы организации и проведения элективных курсов по физике.
Разработать концепцию и программу элективного курса «Термоэлектричество».
Разработать методику изучения элективного курса «Термоэлектричество», включающую: содержание, методы, приемы и организационные формы обучения, способы контроля знаний и умений учащихся, а также соответствующие контрольно-измерительные материалы.
Разработать комплекс лабораторных и практических работ, входящих в физический практикум по термоэлектричеству и ориентированных на формирование исследовательских и конструкторских умений учащихся.
Разработать методические рекомендации для учителей по изучению элективного курса, проведению лабораторных и практических работ по термоэлектричеству.
9 6. Провести педагогический эксперимент с целью проверки доступности разработанного содержания и эффективности методики обучения. Методологической основой исследования являются:
- общедидактические принципы теории обучения (Ю. К. Бабанский,
М. А. Данилов, Б. П. Есипов, И. Я. Лернер, М. Н. Скаткин и др.);
- основнвіе положения теории и методики обучения физике
(А.И.Бугаев, Ю.И.Дик, С. Е. Каменецкий, В. П. Орехов, Н. С. Пурышева,
В. Г. Разумовский, А, В. Усова и др.);
- вопросы организации научного познания в процессе обучения физике
(В. В. Майер, Е. В. Оспенникова, И. Г. Пустильник, В. Г. Разумовский и др.);
- работві по конструированию содержания факультативных курсов
(Ю. К. Бабанский, О. Ф. Кабардин, В. А, Орлов, Л. И. Резников и др.);
- теория проблемного обучения физике (И. Я. Лернер, Р. И. Малафеев,
М. И. Махмутов, В. Оконь и др.);
- методика организации учебных физических исследований
(Л.И.Анциферов, Ю.И.Дик, Ю.В.Иванов, О. Ф. Кабардин, В. В. Майер,
Р. И, Малафеев, В. А, Орлов, А. А. Покровский, А. В. Усова, Т. Н. Шамало и
ДР-);
- работы по интеграции естественнонаучных знаний и реализации
межпредметных связей а процессе обучения физике (М. Д. Даммер, Ю. И. Дик, В. С. Елагина, И. К. Турышев, А. В. Усова, Н. В. Федорова, О. А. Яворук и др.).
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: 1) теоретические - анализ научной, учебной и методической литературы по теме исследования; научно-методический анализ содержания программ и учебных планов факультативов по физике, абстрагирование, конкретизация, моделирование, индуктивный и дедуктивный методы; 2) эмпирические - разработка новых элементов учебной физики; опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; наблюдение за деятельностью преподавателя и уча-
10 щихся; беседа; тестирование; опрос; планирование, подготовка и проведение педагогического эксперимента; методы поэлементного и пооперационного анализа знаний и умений; методы статистической обработки и анализа результатов педагогического эксперимента.
Выбранная методологическая основа и поставленные задачи определили ход теоретико-экспериментального исследования, которое проводилось в три этапа на протяжении 1999-2005 гг., каждый из которых был направлен на решение конкретных задач.
Первый этап (1999-2002 гг.) характеризуется выбором темы исследования, ее обоснованием. Анализ научной, психолого-педагогической и методической литературы позволил сделать вывод о перспективности разработки программы, содержания и методики преподавания элективного курса «Термоэлектричество». Основное внимание было уделено изучению теории физических явлений и термоэлектрических устройств, ее адаптации, разработке лабораторных и практических работ с использованием простого и доступного оборудования. Практический аспект работы состоял в подготовке и проведении констатирующего этапа педагогического эксперимента.
Второй этап (2002-2004 гг.) включал создание программы, отбор содержания, разработку методики преподавания элективного курса. На данном этапе был организован и проведен обучающий эксперимент, в ходе которого осуществлена первичная апробация спецкурса. В результате определено место элективного курса в учебном процессе общеобразовательной школы, разработаны методические рекомендации по его проведению. На этом этапе была уточнена гипотеза, скорректированы критерии, позволяющие судить об эффективности разработанного элективного курса в процессе формирования обобщенных и частных умений у учащихся.
Третий этап (2004-2005-гг.) содержал проведение завершающего контрольно-оценочного эксперимента, включающего обработку, анализ экспериментальных данных, практическое внедрение разработанной методики в учебный процесс и оценку результатов исследования. Подготовленное мето-
дическое пособие по элективному курсу «Термоэлектричество» получило гриф УМО по направлениям педагогического образования Федерального агентства по образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 540200 (050200) «физико-математическое образование».
Научная новизна исследования состоит в том, что:
Обоснована целесообразность изучения термоэлектрических явлений и термоэлектрических преобразователей энергии в классах физико-математического профиля. Создан новый элемент учебной физики «Термоэлектрические явления и термоэлектрические преобразователи энергии», обеспечивающий организацию процесса научного познания при изучении учащимися элективного курса..
Разработана концепция построения и содержание элективного курса «Термоэлектричество», включающего физическую теорию, учебный физический эксперимент, в том числе учебные исследования и проектную деятельность учащихся.
Разработана методика изучения элективного курса «Термоэлектричество», опирающаяся на проблемный, эвристический и исследовательский методы.
Реализована интеграция физических знаний в рамках элективного курса «Термоэлектричество» на основе использования методов аналогии и сравнения явлений, процессов и технических устройств.
Разработана тематика и содержание лабораторного практикума по термоэлектричеству; поставлено 7 новых лабораторных и 4 практические работы, связанные с конструированием и изготовлением учебных приборов, экспериментальных и демонстрационных установок.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что: обоснована возможность построения элективного курса физико-технического характера по изучению материала, выходящего за рамки
12 школьного курса физики, на основе проблемного, эвристического и исследовательского методов обучения;
определены основные требования, принципы и критерии отбора содержания элективного курса «Термоэлектричество», обеспечивающего преемственность между общим и профессиональным образованием;
выявлены основные принципы проектирования физического практикума в рамках элективного курса, целями которого являются: закрепление теоретических знаний; развитие обобщенных познавательных умений; привитие навыков проведения экспериментальных исследований, конструирования и изготовления физических приборов.
Практическая значимость исследования заключается в следующем:
впервые разработан и создан учебно-методический комплекс по элек
тивному курсу «Термоэлектричество», содержащий: учебную программу,
учебно-методическое пособие для учащихся, изучающих данный курс; опи
сание работ физического практикума; комплекс дидактических материалов
для контроля знаний учащихся;
разработаны методические рекомендации для учителей по проведению учебных занятий, лабораторных и практических работ по термоэлектричеству;
разработана компьютерная поддержка элективного курса, включающая изложение основ теории термоэлектрических явлений и динамические иллюстрации физических процессов и экспериментов;
создан комплекс термоэлектрических приборов и устройств для проведения демонстрационных опытов, лабораторных и исследовательских работ;
элективный спецкурс «Термоэлектричество» внедрен в учебный процесс МОУ СОШ № 75 при НТГСПА (г. Нижний Тагил); результаты исследования используются при подготовке учителей физики в Нижнетагильской государственной социально-педагогической академии (НТГСПА) и Глазовском государственном педагогическом институте (ГГПИ).
Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационного исследования обеспечены: всесторонним анализом проблемы исследования; использованием методов исследования, адекватны поставленным целям и задачам исследования; опорой в работе на теоретические основы построения содержания образования, на общедидактические принципы теории обучения, основные положения теории и методики обучения физике; методы организации научного познания в процессе обучения физике; проведением педагогического эксперимента в строго контролируемых условиях, репрезентативностью экспериментальной выборки, количественным и качественным анализом результатов педагогического эксперимента.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялась на базе МОУ гимназия № 18, МОУ СОШ №25 и МОУ СОШ №75 при НТГСПА г. Нижнего Тагила, а также кафедры физики и методики преподавания физики НТГСПА. Полученные результаты докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах кафедры физики и МПФ НТГСПА, физического факультета ГГПИ, VI и VII международных конференциях «Физика в системе современного образования» ФССО-01 (Ярославль, 2001 г.) и ФССО-03 (Санкт-Петербург, 2003 г.), международной научно-практической конференции «Роль межпредметных связей в системе развивающего обучения» (Горно-Алтайск, 2001 г.), международных и всероссийских научно-практических конференциях «Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики» (Екатеринбург, 2002, 2003, 2005, 2006 гг.), V-X1 Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы учебного физического эксперимента» (Глазов, 2000-2006 гг.), I Всероссийской конференции учителей школ и преподавателей вузов «Школа и вуз: достижения и проблемы непрерывного физического образования» (Екатеринбург, 2000 г.), VIII всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВЫКСФ-8» (Екатеринбург, 2002 г.), Республиканской научно-практической конференции «Методология и методика формирования научных понятий у учащихся школ и студентов вузов» (Челябинск, 2002,
14 2006 гг.), XXXIV и XXXVIII зональных конференцях педвузов Урала и Сибири «Методологические аспекты в профессиональной подготовке учителя физики» (Нижний Тагил, 2001 г.; Барнаул, 2005 г.), IV Уральской региональной научно-практической конференции «Современные физико-математические проблемы в педагогических вузах (Уфа, 2003 г.), межвузовской научно-методической конференции «Проблемы интеграции естественнонаучных дисциплин в высшем педагогическом образовании» (Нижний Новгород, 2001 г.), научно-методической конференции НТГПИ «Мониторинг учебной деятельности в педагогическом вузе» (Нижний Тагил, 2003 г.). На защиту выносится:
Положение о целесообразности введения в программу обучения учащихся классов физико-математического профиля элективного курса «Термоэлектричество», интегрирующего знания из различных разделов школьного курса физики и способствующего реализации исследовательского подхода в обучении элективному курсу.
Концепция построения элективного курса «Термоэлектричество», включающая: обоснование и формулировку целей и задач курса; систему принципов и критериев отбора содержания курса и проектирования лабораторного практикума по термоэлектричеству, требования к методике изучения курсу.
Методическая система обучения элективному курсу «Термоэлектричество», включающая: программу курса, методику изучения термоэлектрических явлений и термоэлектрических преобразователей энергии, методику и технику демонстрационного эксперимента по термоэлектричеству, методику проведения лабораторных и практических работ, учебных исследований, методику контроля знаний учащихся.
Концепция элективных курсов по физике в системе профильного обучения на старшей ступени общеобразовательной школы
Факультативные занятия по ряду учебных предметов, в том числе по физике, были введены в учебный план средней школы в 1967 г., когда в нашей стране была начата реформа школьного образования. Введение факультативных курсов в учебный процесс было обусловлено необходимостью дифференциации обучения и повышения научного уровня преподавания ряда учебных дисциплин.
За 30 лет было опубликовано и реализовано множество программ факультативных курсов по физике. Они составили разветвленную систему, которые можно классифицировать как курсы повышенного уровня, прикладной физики, физико-технического моделирования, межпредметные и спецкурсы. Такой типологии факультативных курсов придерживаются ряд авторов: Э. М. Браверман, А. И. Бугаев, Н. Е. Важеевская, А. Т. Глазунов, 10. й. Дик, О. Ф. Кабардин, С. И. Кабардина, С. Е. Каменецкий, В. А. Орлов, А. В.Перышкин, Н. С. Пурышева, В.Г.Разумовский, Л.И.Резников и др. [21; 123; 129; 132; 154; 174; 189]. Дадим характеристику этим факультативам.
Курсы повышенного уровня. Эти факультативные курсы тесно связаны с основным курсом физики; сочетают теоретическую и экспериментальную подготовку учащихся; углубляют их знания, полученные на уроке; способствуют развитию разносторонних интересов и ориентируют их на широкий выбор профессий, связанных с физикой и ее приложениями на практике. О. Ф, Кабардиным [174] были сформулированы основные принципы отбора содержания для факультативов повышенного уровня. Это - связь факультатива с основным курсом, отражение в содержании факультативного курса фундаментальных физических законов и принципов (законов сохранения, принципов соответствия, симметрии и др.), осуществление межпредметных связей; реализация принципа политехнизма. Основной задачей факультативов данного типа является подготовка учащихся к продолжению физического образования.
К курсам повышенного уровня относятся: «Тепловые, электрические и световые явления» (VIII класс), «Факультативный курс физики. IX класс» («Механика»), «Факультативный курс физики. X класс» («Молекулярная физика», «Электродинамика») и «Факультативный курс физики. XI класс» («Электродинамика» (продолжение), «Колебания», «Волны», «Кванты») [123].
Курсы прикладной физики. Основными задачами курсов прикладной физики являются: развитие интереса у учащихся к современной технике и производству; ознакомление с методами применения физических законов на практике и формирование соответствующих умений; ознакомление с физическими принципами действия электротехнических и радиоэлектронных устройств; формирование навыков проведения электрических и радиотехнических измерений; обучение выполнению элементарных расчетов электрических и электронных схем, их монтажу и наладке.
Факультативные курсы прикладной физики способствовали усилению межпредметных связей в изучении таких предметов, как физика, трудовое обучение, математика и черчение, обеспечивали профориентационную направленность учащихся на профессии, связанные с техническими приложениями физики.
К прикладным курсам относятся: «Физические величины и их измерение» (VII-VIII классы), «Методы физико-технических исследований и измерений» (IX-XI классы), «Физико-техническое моделирование» (IX-XI классы), «Курс прикладной физики с изучением основ механизации производства» (IX класс), «Курс прикладной физики на материале автоматики» (X-XI классы), «Курс прикладной физики на материале сельскохозяйственного производства» (VIII4X классы), «Прикладная физика» (X класс), «Курс прикладной физики с изучением физических основ электроники» (X-XI классы).
Курсы по физико-техническому моделированию. Основными задачами факультативов этого типа являются: развитие творческих способностей учащихся в области технического конструирования на основе применения знаний, получаемых на уроках физики; знакомство с некоторыми наиболее типичными методами технического конструирования. Кроме того, эти курсы были предназначены для профессиональной ориентации учащихся. Основной формой занятий по физико-техническому моделированию были лабораторные работы, на выполнение которых отводилось более 60 % учебного времени.
Факультативные спецкурсы. Цели этих спецкурсов: 1) компенсация отсутствия некоторых важных тем в программе основного курса; 2) более глубокое изучение какого-либо раздела физики, играющего важную роль в формировании научного мировоззрения учащихся; 3) знакомство учащихся с различными методами решения физических задач.
Методика изучения термоэлектрических явлений и термоэлектрических преобразователей энергии в элективном курсе
Явление термоЭДС нашло свое отражение в программе курса физики, начиная с середины 50-х г. XX в. [135; 153]. В учебнике А. В. Перышкина были введены такие понятия, как «термоэлектрический ток», «термоэлемент», «термопара» и «термоЭДС», раскрыта суть явления на феноменологическом уровне. Большое внимание в учебнике было уделено практическому использованию термоЭДС для измерения температуры с помощью металлических термопар, а также получению электрического тока с помощью полупроводниковых термоэлектрических генераторов. Механизм формирования термоЭДС в металлических термопарах рассматривался на основе модели идеального газа. При этом обращалось внимание учащихся на то, что скорости свободных электронов в металлах так же, как и скорости молекул газа, зависят от температуры. Как известно [35; 161; 163], использование модели идеального газа для электронов в металле некорректно, что не позволяет считать приведенное объяснение явления термоЭДС удовлетворительным.
В методическом пособии для учителей [156] рекомендовалось изучать металлическую термопару и полупроводниковый термоэлемент независимо друг от друга. Так, металлическая термопара рассматривалась в теме «Электронная проводимость металлов», а полупроводниковый термоэлемент - в теме «Проводимость полупроводников». Это не способствовало успешному усвоению учащимися термоэлектрических явлений, что нашло свое отражение в структуре изложения учебного материала в учебнике А. В. Перышкииа [135].
В 50-60-х гг. XX в. проблемам изучения в школьном курсе физики темы «Электрические свойства полупроводников» был посвящен ряд статей [14; 67; 95-96; 117; 171; 173; 217; 2J 9], опубликованных в журнале «Физика в школе». В некоторых из них [14; 96; 173; 217] была рассмотрена на феноменологическом уровне причина возникновения термоЭДС в полупроводниковых термоэлементах. Описание физических процессов в этих статьях было достаточно схематичным, о существовании двух механизмов образования термоЭДС (объемный и контактный) не упоминалось. В работах [67; 95; 117; 219] были описаны опыты с полупроводниками, демонстрирующие их термоэлектрические свойства. Кроме того, в [67; 219] были приведены советы учителям, как в условиях школьного кабинета физики получить сульфид меди (CuS) и темную закись меди (Си20), обладающие достаточно высокими термоэлектрическими свойствами.
Вопросы методики изучения полупроводников, электроники и автоматики в курсе физики средней школы были освещены в ряде методических пособий для учителей [2; 16; 24; 139; 148; 225]. Среди них следует отметить книгу Ш. Л. Гатауллина «Изучение полупроводников в курсе физики средней школы» [24], в которой, кроме названных выше вопросов, описан механизм возникновения термоЭДС в полупроводниках с различным типом проводи 57 мости, показана аналогия между гальванической батареей и термоэлементом, даны практические рекомендации по демонстрации явления термоЭДС в полупроводниках, приведено устройство термоэлектрического генератора.
Отметим, что в работах [14; 16; 24; 96; 148; 173; 217] идет речь только об одной из составляющих термоЭДС, которая формируется во всем объеме полупроводникового образца, ее принято называть объемной. В [148] возникновение термоЭДС в металлических термопарах объясняется на основе явления контактной разности потенциалов. При этом дается не полное, но, в общем, правильное качественное объяснение возникновения термоЭДС. Составляющей термоЭДС, которая формируется на контакте и называется контактной. О существовании двух составляющих термоЭДС в полупроводниках было указано в работе [187], опубликованной в 1976 году.
Явлению термоэлектрического охлаждения (эффект Пельтье) и методике его изучения посвящено несколько работ [148; 171; 187]. Сущность эффекта Пельтье была подробно рассмотрена в статье М. С. Соминского [171]. В ней показана связь между коэффициентами Пельтье и термоЭДС, из которой следует, что эффекты Зеебека и Пельтье обратимы и имеют общую природу. Опираясь на представления зонной теории твердого тела объяснено, почему на контакте двух полупроводников р- и п типа в зависимости от направления тока может происходить поглощение или выделение тепла. Здесь же были рассмотрены основы конструкций охлаждающих батарей и их основные параметры. Основная часть статьи посвящена применению полупроводниковых охлаждающих устройств в быту, науке и технике.
Общая характеристика педагогического эксперимента
Констатирующий этап педагогического эксперимента проходил с учащимися 11-го класса гимназии №18 г. Нижнего Тагила (учитель физики высшей категории, к.п.н. И. И. Баженова) в 2001/02 уч.г. Целью данного этапа эксперимента было: 1) выяснение возможностей проведения в рамках ла 151 бораторного практикума по физике ряда лабораторных работ по термоэлектричеству; 2) определение затруднений, которые испытывают учащиеся при изучении термоэлектрических явлений и выполнении лабораторных работ; 3) выяснение причин этих затруднений.
Для проведения эксперимента учителем физики была сформирована группа из 15 учеников физико-математического класса. Отбор учащихся осуществлялся по ряду критериев: они имели средний уровень теоретических знаний по физике; обладали достаточными экспериментальными умениями и навыками, необходимыми для сборки электрических цепей и использованию электроизмерительных приборов; были ориентированы на поступление в высшие учебные заведения на технические специальности.
Данный этап педагогического эксперимента проходил во время школьных каникул и включал, семинарские занятия по изучению теоретического материала в объеме 6 часов и лабораторный практикум в объеме 8 часов. Последний проводился в лаборатории электричества и магнетизма кафедры общей физики Нижнетагильского технологического института. Практикум на данном этапе педагогического эксперимента состоял из 2-х лабораторных работ. Во время их выполнения обращалось внимание на следующие важнейшие элементы деятельности учащихся:
1. Уяснение цели лабораторной работы;
2. Отбор оборудования для выполнения работы;
3. Определение цены деления приборов;
4. Знание хода выполнения работы и умение составить ее план;
5. Сборка и наладка экспериментальной установки;
6. Осуществление опыта по составленному плану;
7. Фиксирование результатов наблюдений и измерений;
8. Математическая обработка результатов измерений, их кодирование в наиболее подходящей форме;
9. Анализ результатов эксперимента;
10.Формулировка выводов.
Как уже отмечалось, продуктивность учебного процесса оценивалась методом пооперационного анализа, разработанного А.В.Усовой [179; 182; 184; 186]. Метод пооперационного анализа заключается в учете состава операций (действий), выполняемых учащимся в лабораторных работах или при решении задач. Для количественной оценки эффективности выполнения лабораторных работ учащимися нами, опираясь на выделенные элементы их деятельности, были выбраны следующие критерии: коэффициент полноты выполнения действий и коэффициент успешности развития знаний и умений в области учебного физического эксперимента (см.: 3.1).
Кроме перечисленных показателей эффективности, на данном этапе педагогического эксперимента нами были использованы критерии уровней сформированности у школьников умения самостоятельно проводить лабораторные опыты. Приведем описание этих критериев, сформулированных А. В. Усовой [183, с. 47-48] и А. А, Бобровым [13, с. 16], с указанием соответствующих им интервалов значений коэффициентов полноты выполнения действий.
Первый (начальный) уровень характеризуется тем, что цель эксперимента учеником осознается недостаточно, над условиями выполнения опытов он не задумывается. Работа выполняется с подготовленным учителем оборудованием, по плану, предложенному им, или по инструкции учебника. Выводы формулируются под руководством учителя. Коэффициент успешности для первого уровня составляет: (0 - 0,25).
Второй уровень характеризуется тем, что цель эксперимента и его задача осознаются достаточно четко. Ученик задумывается над условиями проведения опытов, но не в состоянии определить их самостоятельно. Он испытывает затруднения в формулировке гипотезы, которую следовало бы положить в основу эксперимента. План эксперимента разрабатывается коллективно, под руководством учителя. Измерения и вычисления выполняются школьником самостоятельно, но выводы из опытов формулируются под ру 153 ководством учителя. Коэффициент успешности для второго уровня составляет: (0,26-0,50).
