Методика изучения оптических квантовых генераторов в курсе физики средней школы с использованием современных компьютерных технологий

В настоящее время, когда ученые физики стремятся приблизиться к пониманию строения и свойств окружающей нас материи, проводят многочисленные эксперименты по столкновению частиц, назрела необходимость активизации творческого потенциала учащихся средних школ в процессе обучения физике. Следует создавать технологии обучения, ориентированные на возможно более полное использование учебного' физического эксперимента, направленные на формирование научного мировоззрения, подготавливающие к решению самых сложных технологических задач.

Одна из важнейших тем, изучаемых в школьном курсе физики, связана с лазерами. Квантовые генераторы света — лазеры, были созданы в начале шестидесятых годов прошлого столетия. Их уникальные свойства обусловили широкое применение этих приборов в науке, промышленности и бытовой жизни. Сегодня без использования лазеров невозможно представить ни однойсовременной отрасли, лазерные технологии лежат в основе производства современных компьютеров, устройств для чтения и записи CD и DVD дисков, лазерных принтеров, мышек, указок, и многих других устройств, которыми постоянно пользуются учащиеся школ. Высокая степень монохроматичности, когерентности и направленности лазерного излучения позволила создавать приборы для диагностики и лечения различных заболеваний, использовать лазер как уникальный современный медицинский инструмент. Для обеспечения обороноспособности нашей родины созданы спутниковые системы связи, разработаны различные системы наведения и автопилоты, работа которых также основана на применении лазеров. Примером использования оптических квантовых генераторов (ОКГ) в промышленности могут служить высокоточные дальномеры, современные аппараты для сварки, резки и термообработки материалов, устройства для производства микросхем. От студенческих лабораторий, до установок управляемого термоядерного синтеза и космических исследований — везде лазеры являются незаменимым рабочим инструментом.

В школьном курсе физики изучению лазеров уделяется крайне мало времени, в большинстве учебных программ на изучение данной темы отведено не более трех 3 часов. Отсутствуют или практически отсутствуют наглядные пособия, лабораторные работы и физический практикум. Все это приводит к тому, что у выпускников школ оказываются несформированными на требуемом уровне соответствующие знания и экспериментальные умения.

В тоже время программа развития системы непрерывного образования в России до 2010 года требует обеспечения преемственности формирования научных знаний и умений, позволяющих применять их в различных областях практической деятельности.

Вопросы лазерного излучения рассмотрены в работах Н. Г. Басова, О. В. Богданкевича, Б. М. Булла, А. И. Изнара, A.C. Красникова, Б. М. Миркина, Ю. М. Попова, A.M. Прохорова, В. А. Степанова, Л. В. Тарасова, Б. Ф. Федорова и др. Однако содержащийся в них материал, не соответствует уровню подготовки учащихся старших классов, требует гораздо более высокой математической подготовки, интеграции знаний из смежных наук. Отбор содержания необходимого учебного материала, его структурирование, разработка методов преподавания остается нерешенной задачей в современной профильной средней школе. В сегодняшних социально-экономических условиях развития общества, учебный курс, посвященный проблеме создания лазеров, их устройству и применению в различных сферах деятельности человека позволит наряду с развитием личностных качеств учащихся, их мышления, ценностных ориентаций, значительно расширить их знания и экспериментальные умения, повысить интерес к предмету. Сделать это возможным оказалось благодаря использованию новых информационных технологий в обучении физике, компьютерному моделированию, автоматизации физических учебных экспериментов, дистанционному обучению, удаленным формам контроля и прочим.

В последнее время, проблеме использования новых информационных технологий в обучении физике посвящено большое число исследований, результаты которых отражены в работах Л. И. Анциферова, A.A. Богуславского, Д. В. Баяндина, Э. В. Бурсиана, Ю. А. Воронина, Ю. А. Гороховатского, В. А. Извозчикова, A.C. Кондратьева, В. В. Лаптева, А. И. Назарова, В. В. Лаптева, Р. В. Майера, Ю. С. Песоцкого, О. В. Поваляева, И. В. Роберт, A.B. Смирнова, С. К. Стафеева, C.B. Степанова, Г. Н. Степановой, А. И. Фишмана A.C. Чирцова, P.M. Чудинского и др. Однако вопросы методики использования информационных технологий при изучении оптических квантовых генераторов в средней школе исследованы еще недостаточно полно.

Таким образом, актуальность проведенного исследования обусловлена противоречием между задачами повышения уровня знаний и экспериментальных умений учащихся, связанных с изучением лазеров в средней школе с одной стороны, и существующей методикой изучения лазеров в средней школе, не позволяющей в полной мере решать эти задачи, с другой стороны.

Объектом исследования процесс обучения физике учащихся средних школ.

Предмет исследования: методика изучения лазеров в школьном курсе физики с применением новых информационных технологий.

В основу работы положена гипотеза исследования, согласно которой повысить уровень знаний учащихся, развить их экспериментальные умения и активизировать познавательный интерес при изучении лазеров удастся если:

— создать адаптированный учебный курс по данной теме для профильных классов средней школы;

— использовать современные компьютерные технологии в рамках данного курса;

Цель исследования состоит в разработке методики изучения лазеров в средней школе с использованием новых информационных технологий.

Цель и гипотеза обусловили следующие задачи исследования:

1. Проанализировать состояние методики изучения оптических квантовых генераторов в школе и выявить основные трудности в преподавании данного раздела.

2. Осуществить обзор учебного материала по лазерам и разработать содержание учебного курса по данной теме, адаптированного к профильной средней школе, с учетом использования современных средств обучения.

3. Изучить опыт применения новых информационных технологий в обучении физике и определить возможности их использования при изучении оптических квантовых генераторов.

4. Скорректировать методику изучения оптических квантовых генераторов в средней школе с учетом развития личностных качеств учащихся, их мышления, творческих способностей, экспериментальных умений, познавательного интереса.

5. Создать компьютерные демонстрационные слайды и программы, повышающие наглядность статических и динамических картин при изучении лазеров.

6. Разработать обучающие и контролирующие компьютерные программы, обеспечивающие учащимся возможность следить за динамикой процессов, происходящих в лазерах и вмешиваться в их ход.

7. Разработать лабораторные работы по изучению свойств лазеров с применением компьютерных технологий, включая лабораторные работы физического практикума, обеспечивающие автоматизацию эксперимента.

8. Проверить гипотезу исследования в ходе педагогического эксперимента.

Для решения поставленных задач использованы, следующие методы исследования:

— теоретический анализ проблемы на основе изучения научной, учебной, педагогической, психолого-педагогической и учебно-методической литературы.

— изучение и обобщение опыта, накопленного учителями школ при обучении учащихся теме «Лазеры»;

— беседы, опрос, тестирование и анкетирование учащихся и учителей;

— методы экспериментальной физики при изучении лазеров в средней школе;

— методы прикладной математики и информатики при разработке компьютерных программ, слайдов и вспомогательного оборудования для демонстрационных опытов и лабораторных работ по лазерам;

— методы математической статистики.

Основные этапы исследования.

В соответствии с поставленными задачами исследование осуществлялось в течение 5 лет (с 2004 г. по 2009 г.) в несколько этапов.

На этапе констатирующего эксперимента проводился анализ литературы по исследуемой теме, который позволил выявить общие методологические и теоретические основы исследования. Изучалась методика изучения лазеров в школе, обобщался педагогический опыт учителей общеобразовательных школ для определения состояния проблемы и возможности осуществления коррекции данной методики в современных условиях, с использованием новых информационных технологий. Уточнялась комплектность имеющегося в кабинетах физики учебного оборудования.

В ходе поискового эксперимента уточнены задачи исследования, определено содержание учебного материала по изучению оптических квантовых генераторов в средней школе, выявлены пути реализации созданной методики на основе разработанных средств обучения.' Созданы необходимые учебно-методические комплекты для проведения учебных демонстраций, лабораторных работ, работ физического практикума, необходимых при изучении лазеров. Отобраны экспериментальные и контрольные классы, разработана методика определения эффективности предлагаемой технологии обучения.

На третьем этапе проводился формирующий эксперимент, в ходе которого определялась эффективность обучения данному материалу на основе применения новых информационных технологий в сочетании с традиционными методами. Уточнялись и корректировались методические рекомендации по использованию материалов исследования в педагогической практике.

Достоверность результатов исследования обеспечиваются:

— использованием реальных физических моделей и современных методов исследования при разработке компьютерных программ;

— использованием стандартных методов статистической обработки результатов.

— репрезентативностью выборки участников педагогического эксперимента.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Впервые на основе печатного и электронного методического пособия для профильных классов средней школы разработан учебно-методический комплекс для изучения лазеров.

2. Впервые разработана методика изучения лазеров в профильных классах средней школы, предусматривающая использование различных видов учебных занятий, демонстраций, численного и натурного эксперимента, рефератов, конференций, обеспечивающая строгую последовательность изучения соответствующих тем как при активном участии учителя, так и самостоятельно.

3. Созданы обучающие и контролирующие программы, компьютерные слайды и демонстрационные динамические картины, иллюстрирующие физические принципы работы оптических квантовых генераторов, которые включают в себя программы по изучению понятия инверсной заселенности, трехи четырехуровневой системы работы лазера, принципов работы лазеров различных типов и др.

4. Разработаны разноуровневые традиционные и автоматизированные лабораторные работы по курсу «Лазеры» для учащихся профильных классов средних школ, включающие в себя следующие темы: лазерная система связи, дифракция через точечное отверстие и одинарную щель, компакт-диск как дифракционная решетка, вольт-амперная характеристика лазерного диода, измерение расходимости лазерного луча.

Теоретическая значимость исследования определяется:

— разработкой учебного курса и авторской методики изучения лазеров в средней школе;

— применением современных информационных технологий, позволяющих изучать динамику процессов в оптических квантовых генераторах;

— возможностью организации исследовательской деятельности учащихся при изучении лазеров.

Практическую значимость исследования имеют:

— методические рекомендации при проведении уроков и факультативных занятий по изучению оптических квантовых генераторов;

— учебные демонстрации и лабораторные работы, необходимые для формирования соответствующих экспериментальных умений, предусматривающие различные уровни сложности при их выполнении;

— работы физического практикума, позволяющие осуществить автоматизацию некоторых наиболее сложных учебных экспериментов, проводимых при изучении лазеров.

— результаты исследования, внедрение которых повышает уровень знаний и умений учащихся, развивает их познавательный интерес.

На защиту выносится:

1. Учебно-методический комплекс для изучения лазеров в профильных классах средней школы, содержащий адаптированный учебный курс, компьютерные динамические программы и лабораторные работы, включая автоматизированные с применением ЭВМ.

2. Методика изучения лазеров, предусматривающая логическую функциональную последовательность изучения необходимых разделов курса: от понятий возбужденные атомы, инверсия заселенности, поперечные моды, дифракционные потери, резонансное усиление вынужденного излучения в активной среде и внутри резонатора до процессов в твердотельных, газовых, полупроводниковых лазерах, обеспечивающая наглядность и эффективное изучение данного материала.

3. Компьютерная технология, предусматривающая использование различных видов учебного эксперимента: демонстрационного, численного, натурного, автоматизированного, позволяющая наблюдать динамику образования возбужденных и метастабильных атомов, лавинообразного вынужденного излучения и формирования направленного пучка света при отражении от зеркал резонатора.

Апробация исследования.

По теме диссертации опубликовано 15 работ, сделано 8 докладов^ на международных и всероссийских конференциях, в том числе: XI и XII всероссийских конференциях «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы, современный решения», Глазов, 2006, 2007; научно-практической конференции «Профильное обучение физике в старших классах общеобразовательных учреждений: проблемы, пути, решения», Коломна, 2006; XII Рязанских педагогических чтениях «Методическое обеспечение качества учебно-воспитательного процесса», Рязань, 2005; IX Международной конференции «Физика в системе современного образования (ФССО-07)», Санкт-Петербург, 2007; республиканской конференции «Оптические методы в современной физике» Ташкент, 2008; X Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум», Астрахань, 2008.

Структура и содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и библиографического списка, включающего 141 наименование. Основной текст диссертации изложен на 149 стр., включает 4 таблицы, 56 рисунков и диаграмм.

3.3 Выводы.

Результаты педагогического эксперимента показали, что разработанная нами методика изучения лазеров с применением компьютерных технологий повышает эффективность изучения лазеров, повышает интерес учащихся, инициирует их творческую деятельность.

Заключение

.

Помещая в центр обучения развивающуюся личность, путем сочетания индивидуальной и групповой экспериментальной работы, совместного освоения современных образовательных технологий, экспериментальная методика позволяет учащемуся самому выстраивать свои знания в соответствие со своим миром ценностей, потребностей, интересов и возможностей, создает в памяти наиболее яркие впечатления об изученном материале, расширяет кругозор и формирует уверенность в своих силах. Применение разработанной нами методики знакомит учащихся с широко распространенными в науке и технике методами обработки результатов с помощью компьютерной техники, способствует их адаптации к быстро изменяющимся социальным условиям и успешной реализации своих будущих профессиональных задач. За счет экономии времени на проведение измерений, более высокой плотности предлагаемого учебного материала, самостоятельного поиска необходимой информации, возможности более глубокого и детального рассмотрения свойств изучаемых объектов, с целью их обобщения, происходит повышение научного уровня преподавания физики.

1. Впервые разработан учебно-методический комплекс, включающий в себя разработанные нами: адаптированный учебный курс по лазерамобучающие и контролирующие программыкомпьютерные слайды и демонстрационные динамические картиныразноуровневые традиционные лабораторные работы и автоматизированные работы с применением компьютерной техники.

2. Впервые разработана методика изучения лазеров в профильных классах средней школы с использованием различных видов учебных занятий (лекции, демонстрации, эксперимент, рефераты, конференции) и предусматривающая четкую функциональную последовательность при изучении курса по лазерам.

3. Разработаны методические рекомендации при проведении уроков и факультативных занятий по изучению оптических квантовых генераторов, позволяющие правильно и последовательно излагать учебный материал и использовать разработанные лабораторные работы.

4. Результаты педагогического эксперимента показали, что разработанная нами методика изучения лазеров с применением компьютерных технологий повышает эффективность изучения лазеров, повышает интерес учащихся, инициирует их творческую деятельность.