Методика преподавания атомной физики с использованием компьютерных технологий

Содержание



Введение

Глава I. Основные понятия атомной физики, изучаемые в общих и профильных школах

§1. Основные понятия атомной физики 

§2. Демонстрационные и компьютерные эксперименты 

§3. Требования к электронному учебнику

Глава II. Разработка и методика применения электронных ресурсов

§1. Компьютерное моделирование по атомной физике

§2. Методика включения компьютерных моделей 

Заключение

Список литературы




Введение



Физика дает нам понимание того, что нас окружает, позволяет понять процессы и законы, происходящие в природе. А в частности, подраздел «Атомная физика» даёт учащимся более глубокое понятие окружающего нас мира, ведь всё на свете состоит из атомов. Изучение подраздела «Атомная физика» является основополагающим к пониманию более сложных дисциплин, с которыми в будущем столкнуться учащиеся, при поступлении в высшие учебные заведения с физической направленностью.

Атомная физика является одной из самых сложных в понимании учеников. И главной сложностью её преподавания является отсутствие наглядности.

Методикой изучения атомной физики в средней школе занимались такие методисты как: Б.Б. Буховцев, С.В. Громов, И.К. Кикоин, ВВ. Мултановский, М.Я. Мякишев, И.И. Нурминский, А.А. Пинский, А.В. Перышкин, Н.А. Родина, В.Г. Разумовский, Л.П. Свитков, А.А. Синявина, Л.С. Хижнякова, Э.Е. Эвенчик и др. Результаты этих исследований нашли отражение в новых учебниках физики для средней школы.

Сложность обучения связана с ограничением показа реальных экспериментов по атомной физике. Причиной этому является то, что большинство экспериментов могут производить вредное воздействие на организм человека. И не способностью школ полностью принять все средства предосторожности для исключения различных видов инцидентов. 

Целью курсовой работы является исследование возможности использования электронных ресурсов в помощь ученикам при изучении атомной физики. 

Объектом исследования является организация учебного процесса на различных этапах урока физики.

Предметом исследования является изучение атомной физики в основной школе.

Задачи курсовой работы: 

1. Проанализировать состояние проблемы в научно-методической литературе и практике обучения.

2. Определить элементы содержания учебного материала по физике, для которых необходимо разработать электронные ресурсы.

3. Создать электронные ресурсы и методику использования разработанного материала учителем и школьниками.




Глава 1

Особенности изучения атомной физики в школьном курсе



§1 Основные понятия атомной физики, изучаемые в общих и профильных школах



При определении содержания и методов изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений.     

В процессе изучения атомной физики рассматриваются такие понятия как строение атома, протон, нейтрон, электрон, состав ядра атома, радиоактивность, деление ядер и многие другие понятия в зависимости от профиля школы. Все эти вопросы имеют очень большое значение, так как на их основе создаётся у учеников расширенное мировоззрение об окружающем нас мире.

По государственному общеобразовательному стандарту минимальный уровень усвоение знаний по атомной физике для базовых и профильных школ разделяют следующим образом:

Стандарт полного базового образования

Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Лазеры. Модели строения атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерная энергетика. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы. Доза излучения. Закон радиоактивного распада и его статистический характер. 

Стандарт полного профильного образования

Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора и линейчатые спектры. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Дифракция электронов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Спонтанное и вынужденное излучение света. Лазеры. Модели строения атомного ядра. Ядерные силы. Нуклонная модель ядра. Энергия связи ядра. Ядерные спектры. Ядерные реакции. Цепная реакция деления ядер. Ядерная энергетика. Термоядерный синтез. Радиоактивность. Дозиметрия. Закон радиоактивного распада. 

Разница требований к выпускникам довольно ощутимая. В профильный минимум были включены такие темы как: 

-Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц;

-Дифракция электронов;

-Соотношение неопределенностей Гейзенберга;

-Нуклонная модель ядра ;

-Ядерные спектры;

-Термоядерный синтез;

-Дозиметрия.

Однако многие учебники физики для базовых школ включают в себя некоторые вопросы для более углубленного изучения. 

Например:

В.А.Касьянов “Физика 11 класс” включает в себя понятия по атомной физике: 

Строение атома. Постулаты Бора. Лазер. Состав атомного ядра. Энергия связи. Синтез и деление ядер. Радиоактивность. Ядерная энергетика. Термоядерный синтез. Ядерное оружие. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия. 

Такие учебники повышают уровень знаний учащихся базовых школ.




§2 Демонстрационные и компьютерные эксперименты при изучении атомной физики



Демонстрационный эксперимент должен являться основной составляющей экспериментального курса физики, как правило, все основные физические понятия должны демонстрироваться на опыте. Хороший демонстрационный опыт, проведенный во время теоретического изложения и отражающий физическое явление, позволяет преодолеть часто возникающий на начальной стадии обучения формальный подход к физике. Демонстрационные опыты, как известно, формируются накопленные ранее предварительные представления, которые к началу изучения физики далеки и у всех учащихся бывают одинаковыми и безупречными. На протяжении всего курса изучения физики эти опыты накопляют и расширяют кругозор учащихся. Они зарождают правильные начальные представления о новых физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами исследования, показывают устройство и действия некоторых новых приборов и установок, иллюстрируют практическое применение физических законов. Все это конкретизирует, делает более понятным и убедительным теоретическое изучение материала, возбуждает и поддерживает интерес к физике.

Однако поставить реальную демонстрацию по атомной физике довольно-таки сложно по причине опасности проведения для здоровья человека.

Существуют два выхода из такой ситуации:

1.Для обеспечения наглядности при изучении физики широко применяют “материальные” модели, в которых рассматриваются не сами изучаемые явления, а их аналоги. 

Этот метод хорошо может применяться при изучении атомной физики. Примером такой демонстрации может служить аналогия строения атомного ядра и беспорядочного расположения детей (в равных количествах мальчиков и девочек) в центральном круге баскетбольной площадки.

Мальчики будут олицетворять протоны, а девочки нейтроны. Если же попросить детей собраться в кучки мальчики с мальчиками, а девочки с девочками, тогда в сутолоке они начнут толкаться и строй вытянется в овал, что является аналогией деления ядер.

Ещё одним примером такой модели может бать капельная модель ядра, где строение ядра рассматривается как капля жидкости. 

Данные модели являются не плохой альтернативой для показа демонстраций. Однако главным минусом модельного эксперимента является то, что не ко всему можно сделать аналогию и механические модели искажают свойства микромира.

2. Для того, что бы показать любой эксперимент по атомной физике во всей его полноте прибегают к компьютерному моделированию. 

С точки зрения преподавателя очевидное, лежащее на поверхности достоинство компьютерного моделирования заключается в возможности создавать впечатляющие и запоминающиеся зрительные образы. Такие наглядные образы способствуют пониманию изучаемого явления и запоминанию важных деталей в гораздо большей степени, нежели соответствующие математические уравнения. Моделирование позволяет придать наглядность абстрактным законам и концепциям, привлечь внимание учащихся к тонким деталям изучаемого явления, ускользающим при непосредственном наблюдении. Графическое отображение результатов моделирования на экране компьютера одновременно с анимацией изучаемого явления или процесса позволяет учащимся легко воспринимать большие объемы содержательной информации.




§3 Требования к электронному учебнику



Требования к текстовой информации.

Электронный учебник должен содержать только минимум текстовой информации, в связи с тем, что длительное чтение текста с экрана приводит к значительному утомлению и как следствие к снижению восприятия и усвоения знаний. Существенное значение имеет размер и начертание шрифта. Электронный вариант учебника позволяет выделить отдельные слова или фразы цветом и фоном, что улучшает наглядность, позволяет акцентировать внимание на главном. Электронный учебник должен содержать гиперссылки по элементам учебника и возможно иметь ссылки на другие электронные учебники и справочники. Желательно иметь содержание с быстрым переходом на нужную страницу.

Требования к графической информации.

Электронный учебник должен содержать большое количество иллюстративного материала. Причем, графические изображения должны быть как можно более просто оформлены (не более чем девять линий и одно понятие на одно изображение) и соответствовать размерам экрана или окна на экране. Что следует показывать графически:

– последовательные кадры, рисунки, которые показывают движение, причинные связи или структуру, диаграммы процессов, временные графики;

– диаграммы или рисунки, на которых опущены определенные частности для

того, чтобы выделить особенности изображаемого явления, такие как сечения, чертежи, рисунки машин;

– качественное представление числовых данных, такое как линейные графики, диаграммы, пиктограммы;

– физические, политические и специализированные карты;

– диаграммы или рисунки, на которых опущены определенные частности для того, чтобы выделить особенности изображаемого явления, такие как сечения, чертежи, рисунки машин;

– таблицы и диаграммы или разного рода матричные представления словесных и числовых данных, такие как расписания, таблицы спортивных результатов, диаграммы для сравнения;

– статические фотографии, которые хороши для привлечения внимания, демонстрации подлинников, введения в контекст.

Использование видеофрагментов позволяет передать в динамике процессы и явления. Несмотря на большие размеры файлов, применять их целесообразно, т.к. восприятие и заинтересованность студентов повышаются и как следствие, улучшается качество знаний.

Требования к компоновке учебного материала.

Исключительное дидактическое значение имеет компоновка текстового, графического и другого материала. Качество восприятия новой информации, возможность обобщения и анализа, скорость запоминания, полнота усвоения учебной информации в значительной мере зависят как от расположения информации на странице (экране компьютера), так и от последовательности идущих друг за другом страниц. Ведь, в отличие от печатного издания, в котором можно одновременно "заглядывать" в две страницы, держа промежуточные страницы в руках, в электронном учебнике это сделать невозможно. Но в связи с вышесказанным, электронный учебник должен позволять делать закладки в любом месте, отображать список закладок, отсортировав их в любом порядке. В электронном учебнике должен быть список рекомендованной литературы, изданной традиционным, печатным способом. Список литературы может быть дополнен не только ссылками на статьи в журналах, сборниках научных конференций и др., но также и на электронные публикации, размещенные на серверах учебного заведения или в сети Internet.


Глава 2

Разработка и методика применения электронных ресурсов по атомной физике



§1 Компьютерное моделирование по атомной физике



На сегодняшний день разработано множество графических пакетов и оболочек (Соrel, 3D-Studio, Power-Point, Macromedia Flash, Micro-Cap и др.), позволяющих решать конкретные практические задачи с помощью ЭВМ без знания языков высокого уровня. По нашему мнению, наиболее приемлемыми для использования в школе являются оболочки PowerPoint и CorelMove.

Графический редактор CorelMove и пакет для создания презентаций PowerPoint позволяет создавать различные статические и динамические модели, которые очень наглядно демонстрируют различные физические опыты и явления, переходные процессы. Просмотр этих моделей учащимися делает процесс изучения физики интересным и привлекательным, а так же во многом упрощает труд преподавателя. Применение компьютерных моделей на уроках вообще и физики – в частности, в конечном счете, должно способствовать развитию познавательного интереса, овладению школьниками возможностями информационных технологий, более гармоничному развитию интеллектуальных способностей учащихся.

При изучении физики возможен пересмотр методики изучения школьниками некоторых разделов на основе эффективной графической иллюстрации сложных зависимостей, представляемых обычно в табличной или аналитической форме, улучшения техники и методики демонстрационного эксперимента, наглядного решения физических задач.

Чтобы сделать средство обучения наглядным, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления, т.е. превратить его в модель, правильно отразить в модели эти свойства и обеспечить доступность этой модели для учащихся.

Особое внимание должно уделяться статическим и динамическим моделям.

Динамическое компьютерное моделирование обладает большой достоверностью и убедительностью, прекрасно передает динамику различных физических процессов.

В настоящее время изменилось отношение к наглядности преподавания физики. Широкое распространение получили различные компьютерные модели, открывающие перед учителем много возможностей и перспектив в обучении физике. Их использование в комплексе с другими средствами наглядности повышают эффективность процесса обучения.

Показателем эффективности компьютерных моделей является интеллектуальное развитие учащихся. Для повышения этого показателя необходимо соответствие предметного содержания урока целевому назначению динамической компьютерной модели.

Использование компьютерных технологий позволяет в условиях школы надежно воспроизводить физические явления и процессы, быстро и точно производить расчеты времени, многократно повторять эксперимент с разными исходными данными.

Важным условием повышения эффективности наглядности обучения является активизация познавательной деятельности учащихся за счет увеличения объема самостоятельной работы при организации диалога ученика с компьютером.

Применение компьютерных моделей в демонстрационном эксперименте позволяет более полно реализовать на практике такие требования, как обеспечение видимости, создание специфического эмоционального настроя.

На основании соответствия содержания учебного материала целевому назначению динамических компьютерных моделей выделяют несколько вариантов использования динамических компьютерных моделей при объяснении нового материала:

1. в теории, основанной на явлениях, для которых важно знать их механизм;

2. в теории, основанной на исторических опытах;

3. в теории по материалу повышенной трудности;

4. для демонстрации применения изучаемого явления в жизни и технике;

5. для построения графиков, необходимых для изучения нового материала.

Электронный учебник по атомной физике был разработан с помощью программ Macromedia Flash 8 и Microsoft Office FrontPage 2003. С помощью первой программы были созданы и форматированы все анимации электронного учебника, а с помощью второй была разработана структура учебника. Эти программы на нынешнее время являются одними из самых понятных красочных и легкодоступных программ своего рода.



§2 Методика включения компьютерных моделей в структуру преподавания атомной физики



Изучение атомной физики начинается со строения атома. Учитель рассказывает историю открытия атомов. Далее рассматриваются различные представления о структуре, и содержании атома. В момент объяснения того что атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущегося по орбитам отрицательно заряженных электронов включают модель «Строение атома». Показ анимации можно произвести в два подхода:

первый, при воспроизведении модели сопровождать её комментариями, 

второй, для закрепления понятия, воспроизвести модель без комментариев. Эту же анимацию демонстрирует при изучении строении ядра атома. В этот раз ученикам становится понятно, что такое нуклоны и почему атом в целом нейтрален. Данная тема является основополагающей в изучении атомной физики и поэтому компьютерная модель должна как можно ярче дать представление об атоме. (Рис1).









Далее рассматривается энергия связи нуклонов в ядре. Вводится понятие удельной энергии связи. Ученики записывают определение в тетрадь. Далее для объяснения сущности энергии связи учитель разбирает тему синтез и деление ядер. И для наглядности, что такое синтез и деление, поочередно включают соответствующие анимации. Анимации показывают на примере простой модели как происходит синтез и что получается в итоге, аналогично показывается и деление ядер. Во время показа обе анимации должны сопровождаться комментариями учителя. (Рис2)(Рис3)












Следующим по порядку идет введение понятия радиоактивный распад. Учитель даёт определения альфа, бета распаду и гамма-излучению. Учениками все определения записываются в тетрадь. Учителем объясняется что при альфа распаде выделяется атом гелия, при бета - один электрон. Это важно закрепить, чтобы учащиеся в дальнейшем не путались и для этого включают анимацию «радиоактивность». (Рис4)







После темы «Радиоактивность» происходит рассмотрение вопроса « Закон радиоактивного распада». Вводится понятие периода полураспада. И также выводится и объясняется формула закона радиоактивного распада. Ученики всё записывают в тетрадь. А для визуального представления включают одноименную анимацию, которая показывает, как с течением времени убывает количество радиоактивных атомов. (Рис5)






При изучении темы «Ядерный реактор», можно воспользоваться озвученной анимацией, которая находится в разделе видео. Это даст наглядное представление ученикам о принципе работы ядерного реактора.

На уроке обобщения и систематизации знаний по рассматриваемому нами подразделу, ученикам ещё раз показываются поочередно все анимации данной темы для того, чтобы у них сложилась полноценная картина изученного ими материала. Во время повторного показа можно останавливать анимации и просить учеников объяснить увиденное ими явление. 

Также разработанная программа может служить и для самостоятельного обучения. Для каждой анимации присутствует теоретический материал, что облегчит понимание увиденного учениками.




Заключение



Итогом нашей работы является создание фрагмента программы по атомной физике для базовых и профильных школ. В программе была реализована красочность материала, удобная навигация, присутствие теоретического материала. Также была разработана методика включения данного материала в школьный курс физики. 

В настоящее время развития компьютерных технологий, очень мало программ посвящено изучению атомной физики. И те, которые есть, содержат в себе лишь малую часть того, что необходимо ученикам для понимания этого подраздела.

Разработанная мною программа также не является завершённой. В силу нехватки времени мне не удалось более широко обхватить весь материал. В программе не были затронуты такие вопросы как: деление ядер урана, искусственная радиоактивность и другое. В дальнейшем, мы планируем продолжить исследование возможностей использования электронных ресурсов при изучении атомной физики. 




Список литературы



Батурина Г.И. Цели и критерии эффективности обучения//Советская педагогика. 1975.

Громов СВ., Родина И.А. Программа по физике для 7-9 классов. - В кн; Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7-11 кл. / Сост. Ю.И. Дик, В.А. Коровин. - М.: Дрофа, 2000. 

Гутник Е.М., Перышкин А.В. Программа по физике для 7-9 классов. - В кн: Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7-11 кл. / Сост. Ю.И. Дик, В.А. Коровин. - М.: Дрофа, 2000.

Дик Ю.И., Пинский А.А. Программа по физике и астрономии для 7-9 классов. - В кн: Программы для общеобразовательных учреждений; Физика. Астрономия. 7-11 кл. / Сост. Ю.И. Дик, В.А. Коровин. - М.: Дрофа, 2000. с.13-21. 

Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т.2 Пер. С англ. - И.: Мир, 1989. -667 с. 

Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: Пособие для учителей. Под. ред. А.А. Покровского. - М.: Просвещение, 1979, 287 с.

Купер Л. Физика для всех: В 2-х т. Т.2. Современная физика: Пер. С англ. - М.:Мир, 1973.-382 с. 

Калапуша Л.Г. Моделирование в курсе физики средней школы. Автореф. капд. пед. наук. -М., 1966. -118 с. 

Калмыкова З.И. Продуктивное мышление как основа обучаемости. - М.: Педагогика, 1981. -241 с.

Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. - 4-е изд.- М.: Просвещение, АО «Московские учебники», 1997. 254 с.

Научные основы школьного курса физики. Под. Ред. Я. Шамаша, Э.Е. Эвенчика. - М.: Педагогика, 1985. -242 с.

Касьянов В.А. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. Учреждений. - 4-е изд.- М.: Дрофа, 2004. 416 с.

Пеннер А.В. Проблема модельности и наглядности в преподавании атомной физики. // Физика в школе. -1970. -№ 2.

Песин А.И. Моделирование как средство активизации познавательной деятельности учащихся при обучении физике: Автореф. дис. канд. Пед. наук, - М., 1989. 16 с.

Солодухин Н.А. Моделирование как метод обучения физике в средней школе. Автореф. канд. пед. наук. - М., 1971. -23 с.

2