Главная » 2014 » Август » 17 » Скачать Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты. Вараксина, бесплатно
10:22 PM
Скачать Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты. Вараксина, бесплатно
Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты
Диссертация
Автор: Вараксина, Екатерина Ивановна
Название: Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты
Справка: Вараксина, Екатерина Ивановна. Теория и методика учебного физического эксперимента с упругими волнами ультразвукового диапазона низкой частоты : диссертация кандидата педагогических наук : 13.00.02 Глазов, 2006 220 c. : 61 06-13/2361
Объем: 220 стр.
Информация: Глазов, 2006
Содержание:
Введение
Глава 1 ДИДАКТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ УЧЕБНОГО
ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С УПРУГИМИ ВОЛНАМИ
11 Фактическое содержание изучения упругих волн в школе и вузе
111 Анализ школьных программ, учебников, практикумов 112 Анализ вузовских учебников и практикумов 113 Учебный эксперимент по упругим волнам
12 Процесс изучения упругих волн и проблема подготовки учителя физики
121 Проблема экспериментальной подготовки учителя физики 122 Содержание экспериментальной подготовки учащихся 123 Подготовка будущих учителей к проектированию содержания занятия
13 Дидактическая теория учебного эксперимента с упругими волнами
131 Общая структура теории учебного физического эксперимента 132 Теоретические основы учебного эксперимента с упругими волнами 133 Проблемы совершенствования учебного эксперимента с упругими волнами
Глава 2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТА УЧЕБНОЙ
ФИЗИКИ "УПРУГИЕ ВОЛНЫ"
21 Повышение доступности приборов для получения упругих волн
211 Совершенствование конструкции магнитострикционного излучателя низкой частоты 212 Доступные конструкция и технология изготовления генератора 213 Простейшие магнитострикционные излучатели более высокой частоты 214 Получение ультразвука средней частоты
22 Совершенствование эксперимента с упругими волнами и создание новых элементов учебной физики
221 Явление магнитострикции 222 Амплитуда колебаний вибратора 223 Интерференция изгибных волн 224 Фокусировка изгибной волны 225 Изгибная волна при изучении некоторых волновых явлений 226 Совершенствование учебного эксперимента по исследованию стоячей волны 227 Нелинейные эффекты 228 Ультразвуковой фонтан 229 Практическое применение ультразвука
23 Организация научного и учебного познания при изучении упругих волн
231 Исследование явления визуализации линий равных фаз 232 Экспериментальное исследование упругой волны в воздухе 233 Ультразвуковой капиллярный эффект
311 Изготовление студентами приборов для получения упругой волны
312 Самостоятельное выполнение студентами учебного эксперимента с ультразвуком 313 Выполнение эксперимента с упругими волнами в учебно-исследовательской работе
32 Методика подготовки будущих учителей физики к проектированию содержания учебного занятия
321 Программа элективного курса 322 Проектирование студентами занятий элективного курса 323 Составление студентами методики использования эксперимента с ультразвуком низкой частоты в школе
33 Использование ультразвука низкой частоты при изучении физики упругих волн
331 Изучение упругих волн в курсе экспериментальной физики 332 Использование эксперимента с ультразвуком при изучении механических волн в школе
Введение:
Важнейшей задачей изучения физики в школе является развитие творческой личности с высоким уровнем мотивации дальнейшего самообразования, разносторонними познавательными интересами, глубокими знаниями и способностью пополнять их. Решение этой задачи невозможно без использования на уроках физики ярких и запоминающихся экспериментов, отражающих сущность изучаемых физических явлений. Физическая наука непрерывно развивается, ее достижения быстро меняют условия повседневной жизни и становятся доступными современным школьникам, поэтому вместе с этим процессом должна обновляться и совершенствоваться система учебного физического эксперимента. Непосредственно созданию нового учебного эксперимента по различным разделам курса физики, а также методике его использования в школе и вузе посвящены работы Е. С. Агафоновой [1], Р.В.Акатова [115], Я.Е.Амстиславского [4], Л.И.Анциферова [7], М.Н.Башкатова [14], Э.В.Бурсиана [23], П.П.Головина [45], М.И.Гринбаума [52], Г.И.Жерехова [63], Б.С.Зворыкина [67], О. Ф. Кабардина [ 72 ], В. Ф. Колупаева [ 83 ], В. В. Майера [96], Р. В. Май-ера [114], Н.Я.Молоткова [124], Г.Г.Никофорова [183], Ю.Ф.Ого-родникова [133], Б.Ш.Перкальскиса [138], Р.В.Поля [141], А.Порти-са [ 143], М. М. Терентьева [ 178], С. А. Хорошавина [201,202], Н. М. Ша-хмаева [209], Н.И.Шефера [73], В.Ф.Шилова [210] и многих других исследователей.
Учебный физический эксперимент является основным средством решения важнейших дидактических проблем. Он в полной мере использовался в исследованиях Б. Т. Войцеховского [38], В.С.Данюшен-кова [56], И.Я.Ланиной [92], В.Г.Разумовского [154], А.В.Усовой
182], Т.Н.Шамало [206, 207], посвященных развитию познавательных интересов и творческих способностей учащихся, формированию физических понятий, умений и навыков, развитию познавательной активности школьников при обучении физике. Теоретические аспекты использования учебного физического эксперимента для развития самостоятельности учащихся при изучении школьного курса физики рассмотрены также в исследованиях Е. В. Оспенниковой [137]. Методология учебного физического эксперимента исследована в работах Ю. А. Саурова [ 163]. Проблемам отбора содержания обучения, его проектирования и вариативного построения в средней школе, тесно связанным с совершенствованием учебного физического эксперимента, посвящены работы П. В. Зуева [ 68 ], А. А. Шаповалова [ 208 ], С. В. Бубликова [21].
Несмотря на то, что учебному физическому эксперименту в дидактике физики всегда уделялось значительное внимание, далеко не все темы школьного курса физики в должной степени обеспечены системами опытов. В частности, наблюдения показывают, что эксперимент недостаточно используется на уроках физики, посвященных изучению упругих волн. Исследования проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами проведены Е. С. Агафоновой [ 1 ], Н.Л.Бронниковым [18, 19], А.Р.Геннингом [41, 42], В.Ф.Колупае-вым [83], В. И.Краснюком [86], Б.Б.Кудрявцевым [88], В. В.Майе-ром [98, 99, 110-113], Р. В. Майером [114], Н. М. Маркосовой [120], А.С.Мельниковым [121], В.Ф.Ноздревым [130, 131], A.C.Смагиным [166], В. И. Соломкиным [168-170], Н. М. Шахмаевым [209, 211]. Однако не существует методики, обеспечивающей систематическое использование на уроках физики доказательного и эффектного учебного эксперимента, раскрывающего сущность явлений, связанных с упругими волнами. Дидактическая теория учебного эксперимента с упругими волнами, объясняющая факт недостаточного его применения при обучении и позволяющая вывести в качестве следствий дидактические проекты совершенствования учебного эксперимента, не разработана.
Это обосновывает актуальность проблемы исследования теории и методики учебного физического эксперимента с упругими волнами.
Проблема исследования заключается в преодолении следующих противоречий:
• между необходимостью формирования творческой, способной к самообразованию личности, владеющей основами метода научного познания, и недостаточной разработанностью элементов учебной физики, обеспечивающих учебное и научное познание при изучении упругих волн в школе и вузе;
• между созданными и описанными в методической литературе системами учебного эксперимента с упругими волнами акустического и ультраакустического диапазонов и недостаточным их использованием в реальном учебном процессе средней и высшей школы;
• между необходимостью обеспечения учебного процесса современными поучительными, простыми и эффектными опытами и отсутствием методических рекомендаций по их использованию на уроках физики при изучении упругих волн;
• между имеющимися в распоряжении учителя физики материальными и временными ресурсами и необходимостью организации активной учебно-исследовательской деятельности учащихся по созданию учебного оборудования для экспериментального изучения упругих волн;
• между существующими проблемами использования учебного эксперимента с упругими волнами и неразработанностью дидактической теории учебного эксперимента вообще и учебного эксперимента с упругими волнами в частности, позволяющей предсказать пути его совершенствования.
Объект исследования: учебный физический эксперимент в средней и высшей школе.
Предмет исследования: учебный физический эксперимент для изучения упругих волн в курсах физики средней общеобразовательной и высшей педагогической школы.
Цель исследования: создание системы учебных опытов с ультразвуком низкой частоты, обеспечивающей совершенствование процесса изучения основ физики упругих волн.
Гипотеза исследования: Если повысить доступность приборов для получения ультразвука, учебность эксперимента с ультразвуком низкой частоты, эффективность методики его использования на уроках физики и во внеурочной работе с учащимися, то окажется возможным совершенствование процесса изучения упругих волн, так как 1) появятся новые элементы учебной физики, обеспечивающие учебное и научное познание физических явлений в совместной деятельности учителя и ученика; 2) система учебного эксперимента с упругими волнами будет дополнена поучительными, эффектными и интересными для учащихся опытами; 3) самостоятельное изготовление приборов будет способствовать формированию экспериментальной подготовленности учащихся; 4) новые элементы учебной физики обеспечат возможность создания полноценного элективного курса по изучению упругих волн на основе ультразвука низкой частоты.
Сформулированная гипотеза определяет следующие задачи исследования.
1. Проанализировать современное состояние изучения упругих волн в школе и вузе. Изучить требования стандарта, содержание школьных и вузовских учебников по физике, физических практикумов и другой учебной и методической литературы, исследований, посвященных учебному физическому эксперименту с упругими волнами.
2. Выявить основные проблемы методической подготовки студентов педагогического вуза, влияющие на результат процесса изучения упругих волн, раскрыть содержание этих проблем.
3. Построить дидактическую теорию учебного физического эксперимента с упругими волнами. Проанализировать систему учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты и сформулировать основные проблемы его совершенствования.
4. Разработать доступные конструкции и технологии изготовления приборов для получения ультразвука низкой частоты. Повысить учебность эксперимента с ультразвуком низкой частоты, создав новые опыты и учебные теории, усовершенствовать существующие. Разработать методику использования ультразвука низкой частоты при организации научного и учебного познания. Разработать элективный курс по изучению упругих волн.
5. Педагогическим экспериментом доказать возможность и целесообразность использования ультразвука низкой частоты при изучении явлений физики упругих волн в школе и вузе для формирования экспериментальной подготовленности учащихся и организации деятельности студентов педагогического вуза по проектированию содержания учебных занятий.
Применялись следующие методы исследования. Теоретические: 1) анализ нормативной, научной, методической, учебной литературы и диссертационных исследований по изучаемой проблеме; 2) изучение и анализ требований стандарта к уровню подготовки выпускников школ и педагогических вузов; 3) проектирование методик изучения упругих волн в курсах физики средней и высшей школы; 4) создание дидактической теории учебного физического эксперимента; экспериментальные: 5) опытно-конструкторская работа по созданию новых учебных приборов и экспериментальных установок; 6) разработка новых элементов учебной физики, включающих учебную физическую теорию, учебный физический эксперимент и методику их изучения; 7) внедрение результатов исследования в учебный процесс средней и высшей школы; 8) проверка следствий дидактической теории в педагогическом эксперименте.
Научная новизна исследования заключается в том, что:
1) предложена дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами, включающая факты, теоретическую модель и следствия, справедливость которой обоснована педагогическим экспериментом;
2) обоснованы возможность и целесообразность использования при изучении упругих волн учебных экспериментов с ультразвуком низкой частоты; разработаны учебные теории явления визуализации волн на тонком упругом листе и ультразвукового капиллярного эффекта; предложена методика экспериментального изучения звуковой волны в воздухе, позволяющая серией демонстрационных экспериментов обосновать справедливость уравнения гармонической волны и тем самым доказать факт существования гармонических упругих волн;
3) разработаны новые учебные эксперименты по изучению прямого магнитострикционного эффекта, по исследованию явления интерференции изгибных волн при отражении от круглого края, по фокусировке изгибных волн при отражении от параболического, эллиптического и круглого краев пластинки, по наблюдению ультразвукового фонтана; усовершенствованы учебные эксперименты по изучению стоячей волны, нелинейных эффектов, практического применения ультразвука; предложен простой способ оценки амплитуды колебаний вибратора магнитострикционного излучателя и простой вывод формул для радиационного давления упругой волны.
Теоретическая значимость определяется тем, что в сфере дидактики физики
1) предложена новая дидактическая теория учебного физического эксперимента;
2) теоретически обоснована необходимость совершенствования учебного эксперимента с упругими волнами с целью повышения его учебности;
3) определены содержание и структура понятия экспериментальной подготовленности учащихся и будущих учителей физики.
Практическая значимость состоит в следующем:
1) разработаны конструкция и технология изготовления учебного ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя низкой частоты, которые доступны для учителя и учащихся, а значит, могут быть использованы в учебном процессе;
2) созданы элементы учебной физики, которые можно непосредственно применять на учебных занятиях и в учебно-исследовательской деятельности учащихся при изучении механических волн и акустики;
3) разработаны содержание и методика лекционных и лабораторных занятий, обеспечивающих изучение физики упругих волн на основе ультразвука низкой частоты в рамках курса экспериментальной физики; предложен элективный курс по изучению упругих волн, предназначенный для учащихся средней школы.
Методологическую основу исследования составляют концепция учебной физики (В.В.Майер [96]), концепция формирования физических понятий (А.В.Усова [182], Т.Н.Шамало [206, 207]), концепция научного и учебного познания в обучении физике (В. В. Майер, В.Г.Разумовский [153]), идеи организации деятельности при обучении физике (Ю. А. Сауров [ 164]), системный подход в обучении физике (В. С. Данюшенков [57]).
Достоверность и обоснованность результатов исследования определяется опорой на фундаментальные положения дидактики физики; научным анализом проблемы учебного физического эксперимента с упругими волнами; экспериментальным доказательством возможности применения ультразвука низкой частоты для изучения упругих волн; личным опытом учебной работы соискателя по теме исследования; положительными результатами реально организованного учебного процесса по изучению упругих волн с использованием ультразвука низкой частоты.
Апробация и внедрение результатов исследования осуществлялись в школах города Глазова, на физическом факультете ГОУ ВПО "Глазовский государственный педагогический институт имени В. Г. Короленко", Вятского государственного гуманитарного университета и Уральского государственного педагогического университета, на семинаре учителей физики северного куста Удмуртской Республики на базе Республиканской очно-заочной школы при МОУ "Физико-математический лицей" г. Глазова. Полученные результаты обсуждались на заседаниях научного семинара физического факультета Глазовского педагогического института (2003-2006 гг.), республиканской научно-теоретической конференции "Модели и моделирование в методике обучения физике" в Кирове (2004 г.), на Международной научно-практической конференции " Повышение эффективности подготовки учителей физики и информатики" в Екатеринбурге (2005 г.), научно-практических всероссийских конференциях "Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения" в Глазове (2004, 2005, 2006 гг.). Основные результаты исследования представлены в 19 публикациях автора.
Положения, выносимые на защиту.
1. Построенная дидактическая теория позволяет объяснить факт недостаточного использования учебного физического эксперимента при изучении упругих волн.
2. Из предложенной дидактической теории следует необходимость совершенствования учебного физического эксперимента с упругими волнами с целью повышения его учебности, развития экспериментальной подготовленности будущих учителей физики и формирования умений проектирования содержания учебных занятий.
3. Разработанные элементы учебной физики позволяют дополнить существующую систему учебного эксперимента с упругими волнами поучительными, эффектными и интересными для учащихся опытами, организовать учебное и научное познание в совместной деятельности учителя и ученика. Их использование способствует формированию экспериментальной подготовленности учащихся.
Логика исследования включает следующие этапы.
Первый этап (2003-2004 гг.) связан с постановкой проблемы исследования. Разработаны конструкции и технологии изготовления ультразвукового генератора и магнитострикционного излучателя низкой частоты. Проведен педагогический эксперимент по проверке доступности изготовления этих приборов студентами. Разработана учебная теория ультразвукового капиллярного эффекта. Изготовлены 19 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.
Второй этап (2004-2005 гг.) связан с изучением существующих элементов учебной физики, анализом научной и учебно-методической литературы, совершенствованием учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Исследовано явление визуализации линий равных фаз на поверхности тонкой упругой пластинки, разработана методика экспериментального изучения упругой волны в воздухе. Разработана программа элективного курса. Проведен педагогический эксперимент по изучению возможности проектирования студентами содержания учебного занятия. Осуществлено руководство 10 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 6 комплектов приборов для опытов с ультразвуком.
Третий этап (2005-2006 гг.) определяется организацией изучения упругих волн в курсе экспериментальной физики, в процессе которого происходит дальнейшее исследование учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты. Проведен опосредованный и прямой педагогический эксперимент в школе. Построена дидактическая теория учебного физического эксперимента с упругими волнами. Осуществлено руководство 19 учебно-исследовательскими работами студентов. Изготовлены 22 комплекта приборов для опытов с ультразвуком.