Изучение ядерной физики в классах физико-математического профиля с использованием информационных технологий

Согласно «Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года» школьное образование вступило на новый этап своего развития.

Введение

профильного обучения и набирающая темпы информатизация образования предполагают глубокие изменения, как всего школьного, так и физического образования. В этой связи возникает необходимость в обеспечении педагогов методическими материалами, соответствующими современным тенденциям в образовании, учитывающими идею личностно ориентированного обучения и использования информационных технологий.

• В работах Б. И. Додонова [49], А. Н. Леонтьева, А. К. Марковой [92], C.JI.

Рубинштейна [128] и др. показано, что учебная деятельность школьников побуждается иерархией мотивов: потребность в учении, смысл учения, мотив учения, цель, эмоции, отношение и интерес. При этом основным мотивом учения старших школьников является проектируемая профессия.

Проблемам дифференциации обучения посвящены труды Ю. К. Бабанского [10], Ю. И. Дика, В. А. Орлова, Н. С. Пурышевой, П. И. Самойленко, Н. А. Соболевой [134], Н. М. Шахмаева [148], М. А. Янишевской [153] и др. В этих работах дифференциация рассматривается как особая форма организации обучения, направленная на подготовку учащихся к продолжению образования. Дифференциация обучения предполагает решение проблем, связанных с отбором содержания образования, форм и методов обучения.

Ядерная физика занимает особое место в разделе «Квантовая физика». Специфика изучения этой темы состоит в сложности понятийного аппарата, предполагающего наличие определенных навыков абстрагирования, трудностях при визуализации процессов микромира и экспериментов, — наличии большого объема фактического материала.

Результаты работ ученых-методистов воплощены в действующих программах, учебниках по физике, методических пособиях.

Соответствующие разделы есть в школьных учебниках и учебных пособиях по физике А. Т. Глазунова, О. Ф. Кабардина [36], А. Н. Малинина, В. А. Орлова, А.А. ПинскогоВ.А. Касьянова [63]- Г. Я. Мякишева, Б.Б. БуховцеваБ.М. Яворского и др. Представленный в них учебный материал различается по объему, структуре, толкованию рассматриваемых вопросов. Существуют разные взгляды на изложение учебного материала по ядерной физике.

В научных работах Е. Ю. Дирковой, У. З. Ешимовой, Н. И. Плешаковой [115], В. И. Савченко и др., посвященных проблемам совершенствования * методики преподавания ядерной физики в средней школе, рассматриваются экспериментальные методы изучения этой темы. Однако, с нашей точки зрения, до сих пор в содержании учебного материала по ядерной физике не представлен глубокий теоретический базис.

В современных учебниках акцентировано внимание на разных аспектах физики атомного ядра. Часть вопросов, например, явление радиоактивности, взаимодействие радиоактивных излучений с веществом, рассматривается на качественном уровне. Между тем, объяснение свойств атомных ядер и предсказание их поведения, которое носит вероятностный характер, ^ основано на теоретических представлениях, построенных на математических моделях. Углубленная подготовка учащихся классов физико-математического профиля по физике и математике позволяет включить в содержание учебного материала математический аппарат физических теорий. Такое углубление учебного материала позволит сохранить связь и непрерывность процесса формирования понятий ядерной физики в дальнейшем вузовском образовании.

На практике зачастую изложение учебного материала сводится к 4 догматическим сообщениям фактов. Вследствие этого снижается интерес учащихся к теме «Ядерная физика», о чем свидетельствуют результаты проведенного нами констатирующего эксперимента. Низкое качество знаний учащихся по теме «Ядерная физика» подтверждается итогами констатирующего эксперимента, анализом результатов Единого государственного экзамена. Результаты проведенного констатирующего эксперимента показали, что большинство учителей физики, работающих в классах физико-математического профиля, связывают это и с недостаточной наглядностью изучаемых процессов.

Вопросы обеспечения наглядности средствами информационных технологий рассматривались в диссертационных исследованиях М. В. Алексеева, Л. В. Барановой [14], Н. Н. Гомулиной [39], В. А. Извозчикова [55], Ш. М. Калановой, Н. Ю. Королевой, B.C. Осмачкина, C.JI. Светлицкого и др.

Для классов физико-математического профиля учебный предмет информатика и информационные компьютерные технологии является одним из основных. Однако вопрос преподавания ядерной физики с применением знаний из области информатики и информационных технологий в классах физико-математического профиля изучен недостаточно.

Таким образом, возникают противоречия между требованиями к уровню подготовки выпускников средней (полной) школы и недостаточной разработанностью методики преподавания ядерной физики в классах физико-математического профилянеобходимостью использования информационных технологий в образовательном процессе и сложившейся практикой изучения ядерной физики в профильных классах.

Проблема исследования состоит в разрешении противоречия между необходимостью повышения качества знаний учащихся по ядерной физике в классах физико-математического профиля и недостаточной разработанностью методики преподавания ядерной физики с учетом информационных технологий в образовании.

Цель исследования: разработать и обосновать методику изучения ядерной физики в классах физико-математического профиля с использованием информационных технологий.

Объект исследования: процесс преподавания физики в профильной школе.

Предмет исследования: содержание и методика преподавания ядерной физики в классах физико-математического профиля с использованием информационных технологий.

Гипотеза исследования: качество знаний по ядерной физике выпускников классов физико-математического профиля повысится, если * будут. соблюдены следующие условия: отобрано содержание учебного материала на основании требований Федерального компонента государственного стандарта общего образования (на профильном уровне) — методы организации учебно-познавательной деятельности учащихся будут опираться на использование информационных технологийразработана модель организации учебно-познавательной деятельности учащихся.

В соответствии с целью, предметом и гипотезой, в работе были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. На основе анализа научной, психолого-педагогической, методической ^ литературы и педагогического опыта выявить проблемы преподавания ядерной физики в классах физико-математического профиля, согласовать цели изучения ядерной физики, математики, информатики и информационных технологий на профильном уровне, определить методы обучения с использованием информационных технологий.

2. Структурировать и отобрать содержание учебного материала по ядерной физике для классов физико-математического профиля.

3. Разработать модель организации учебно-познавательной деятельности учащихся при изучении ядерной физики с использованием информационных технологий.

4. Экспериментально проверить эффективность разработанной методики.

Методологическую основу исследования составили: психологопедагогическая теория деятельности (А.Н. Леонтьев, C. JL Рубинштейн и др.) — теория оптимизации учебно-воспитательного процесса (Ю.К. Бабанский и др.) — основные принципы дидактики, идеи личностно ориентированного обучения, лежащие в основе современной концепции модернизации образованияконцепция физического образования, разработанная в лаборатории физического образования ИСМО РАО (Ю.И. Дик, В. Г. Разумовский, В. А. Орлов, А. А. Фадеева и др.) — труды по методологии педагогических исследований (В.В. Краевский, B.C. Леднев и др.) — теория создания и использования средств обучения (Т. С. Назарова и др.) — идеи, посвященные использованию информационных технологий в образовательном процессе (В.А. Извозчиков, Н. С. Пурышева, A.M. Слуцкий и др.).

Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические методы включали в себя: анализ философской и психолого-педагогической литературы, документов по вопросам образования, программ, учебников, методической литературы, использования аудиовизуальных и технических средств обучения, информационных технологий, состояния знаний и умений учащихсяизучение и обобщение передового опыта работы школ и отдельных учителей.

Экспериментальные методы включали: констатирующий, обучающий и контрольный педагогический эксперименты, беседы с учителями и учащимися, наблюдение учебного процесса, анкетирование учителей и учащихся, обработку результатов педагогического эксперимента с помощью методов математической статистики.

Исследование проводилось в три этапа.

На первом этапе (1998 — 2000 гг.) проводился констатирующий эксперимент, позволивший оценить состояние теоретических, методологических и практических аспектов исследуемой проблемы, разработать методы применения информационных технологий в преподавании ядерной физики.

На втором этапе (2000 — 2003 гг.) проводился обучающий эксперимент. В 2000 — 2001 учебном году проводилось пробное обучение, осуществлялся отбор содержания учебного материала по ядерной физике и средств информационных технологий, разрабатывалась модель учебной деятельности, апробировались методические рекомендации для учителейв 2001 — 2003 гг. проверялась эффективность методики изучении ядерной физики в классах физико-математического профиля с использованием информационных технологий.

На третьем этапе (2004 — 2005 гг.) проводился контрольный эксперимент: велось преподавание ядерной физики в экспериментальных и контрольных группах, обрабатывались, анализировались и оформлялись результаты педагогического эксперимента, осуществлялось внедрение в учебный процесс разработанной методики преподавания.

Экспериментальная база исследования: Обнинский колледж и МОУ СОШ № 1 им. С. Т. Шацкого г. Обнинска.

Научная новизна исследования: • выявлены цели изучения ядерной физики в классах физико-математического профиля с опорой на цели изучения математики, информатики и информационных технологий на профильном уровне;

• определены структура и содержание темы «Ядерная физика», включающая ядро содержания, прикладные и экологические аспекты;

• разработана модель организации учебно-познавательной деятельности учащихся, опирающаяся на теорию оптимизации учебно-воспитательного процесса, учитывающая использование информационных технологий.

Теоретическая значимость исследования заключается в обосновании модели организации учебно-познавательной деятельности учащихся классов физико-математического профиля при изучении ядерной физики, опирающейся на теорию оптимизации учебно-воспитательного процесса.

Практическая значимость результатов исследования состоит в создании и внедрении в учебный процесс школ г. Обнинска электронного курса «Ядерная физика», включающего содержание учебного материала для учащихся, анимации изучаемых процессовразработке и внедрении в практику работы школ Калужской области методических рекомендаций учителю физики по организации учебно-познавательной деятельности учащихся классов физико-математического профиля при изучении ядерной физики с использованием информационных технологий.

Обоснованность и достоверность научных результатов исследования обеспечены внутренней непротиворечивостью полученных выводов исследования, соответствием теоретическим положениям базовой науки и тенденциям современного развития школьного физического образования, выбором методов исследования, адекватных целям и решаемым задачамстатистическими методами обработки данных педагогического эксперимента, применяемых в педагогических исследованияхвоспроизводимостью результатов обучения.

Положения, выносимые на защиту: 1. Содержание учебного материала по ядерной физике в классах физико-математического профиля должно представлять собой логически связанные тематические блоки: объект изучения (атомное ядро) — модели атомных ядер (капельная, оболочечная, обобщенная) — радиоактивный распад (потенциальная яма) — ядерные превращения (скалывание, К-захват) — деление атомных ядер (потенциальный барьер, двугорбая кривая) — ядерный цикл (прикладные вопросы ядерной физики) — экологические вопросы (воздействие ионизирующих излучений на живые организмы).

2. Основой создания методики изучения ядерной физики в классах физико-математического профиля с использованием информационных технологий является модель организации учебно-познавательной деятельности учащихся. Ядро модели — содержание учебного материала, которое определяет выбор методов и элементов информационных технологий. В качестве предложений учителю по организации учебного процесса разработаны модели уроков, включающие задачи обучения, методы и приемы обучения, формируемые знания, умения и навыки, содержание учебного материала, рекомендуемые элементы информационных технологий.

Апробация работы и внедрение результатов исследования:

Основные идеи, результаты работы обсуждались и получили одобрение на: научной конференции МГПУ им. В. И. Ленина (март 2000 г.) — конференциях по проблемам учебного физического эксперимента в Глазовском педагогическом университете (март 2001 г., март 2002 г.) — научно-практической конференции «Психология обучения: научные подходы» СГУ (Москва, 2001 г.) — научно-практической конференции молодых ученых «Пути и средства активизации учебно-воспитательной работы в общеобразовательных учреждениях» (Москва, ИОСО РАО, 2001 г.) — на выставке в Техническом университете им. Н. В. Баумана (г. Калуга, 2002 г.) — педагогических чтениях «Новые технологии в образовании» (г. Обнинск, 2004 и 2005 гг.) — методических объединениях учителей физики Калужской областисеминаре в КОИПКРОзаседаниях лаборатории физического образования ИСМО РАО.

Работа отмечена дипломом отдела народного образования г. Обнинска за эффективное внедрение информационных технологий в образовательный процесс.

Результаты работы внедрены в учебный процесс школ г. Обнинска (МОУ среднюю школу № 1 им. С. Т. Шацкого, Обнинский колледж).

Содержание работы освещено в 7 публикациях в региональных издательствах.

Выводы по главе 3.

1. Проведен педагогический эксперимент: констатирующий, обучающий, контрольный.

2. Содержание отобранного нами учебного материала по ядерной физике для классов физико-математического профиля, а также методика его преподавания способствует достижению более высокого уровня качества знаний учащихся этих классов за счет активизации учебно-познавательной деятельности учащихся.

3. Анализ результатов проведенного педагогического эксперимента в целом подтверждает гипотезу с достоверностью не ниже 95% о том, применение нового содержания учебного материала по ядерной физике и разработанной нами методики его изучения с использованием информационных технологий в классах физико-математического профиля способствует повышению качества знаний учащихся в среднем на 44%.

Заключение

.

1. На основе анализа научной, психолого-педагогической и методической литературы:

• выявлены проблемы преподавания ядерной физики в классах физико-математического профиля — необходимость конкретизации учебного материала с учетом профиля и включение информационных технологий согласно современным требованиям к качеству образования;

• согласованы цели изучения ядерной физики, математики, информатики и информационных технологий в классах физико-математического профиля на основе требований Федерального компонента государственного стандарта общего среднего образования к уровню подготовки выпускников;

• определены методы обучения, опирающиеся на информационные технологии: имитационное и математическое моделирование процессов, алгоритмизация задач, обработка и накопление информации, виртуальные лабораторные работы.

2. Проведены структурирование и отбор содержания учебного материала по ядерной физике для классов физико-математического профиля с учетом общедидактических принципов: научности, фундаментальности, систематичности, преемственности и непрерывности образованияэкологической компоненты физического образованиятребований Федерального компонента государственного стандарта общего образования к знаниям и умениям учащихся.

3. Разработана модель организации учебно-познавательной деятельности учащихся классов физико-математического профиля при изучении ядерной физики, опирающаяся на теорию оптимизации учебно-воспитательного процесса, предусматривающая использование информационных технологий.

Модель включает содержание учебного материала, методы обучения, элементы информационных технологий.

4. Педагогический эксперимент показал доступность содержания и эффективность методов изучения ядерной физики в классах физико-математического профиля. Результаты экспериментального исследования показали эффективность использования разработанной методики изучения ядерной физики: повышение качества знаний учащихся в среднем на 44%. Критериями результативности обучения служат: объем, системность, осмысленность, прочность, точность знаний, логичность, аргументированность ответов.