Диференційоване вивчення основ квантової фізики у середніх навчальних закладах різного профілю

Abstract

Дисертацію присвячено теоретичному обгрунтуванню та практичній реалізації дидактичної системи для формування у старшокласників знань з основ квантової теорії в умовах диференційованого навчання фізики. Доведена доцільність доповнення змісту заключного розділу з фізики питаннями про теплове випромінювання та його закони і розширення питань про вимушене випромінювання та фізичні основи квантової електроніки. Розроблені нові навчальні досліди дослідницького характеру з квантової фізики, обгрунтовано використання для цього голографічних дифракційних решіток. Розроблено і апробовано серію навчальних комп’ютерних програм, які дозволяють моделювати і досліджувати квантові явища. Запропоновано оптимальне поєднання фізичного і комп’ютерного навчального експерименту. Це активізує пізнавально-пошукову діяльність одинадцятикласників та знайомить їх із сучасними методами пізнання природи. Створено систему фізичних задач різного рівня складності з вузлових питань квантової фізики. Розроблено програму комп’ютерної перевірки знань та самоконтролю учнів. Доведена педагогічна ефективність пропонованого варіанту дидактичної системи.

Диссертация посвящена теоретико-методическому обоснованию и практической реализации дидактической системы для формирования у старшеклассников знаний основ квантовой теории в условиях дифференцированного обучения физике в средних учебных заведениях различного профиля. На основе анализа научных исследований, программ и методической литературы определена возможность вариативного содержания учебного материала, раскрывающего основы квантовой теории в средней школе. Одновременно научно-методический анализ проблемы позволил выделить такие особенности раздела ―Квантовая физика в школьном курсе: содержание учебного материала, раскрывающего основы квантовой механики, изучается как завершающий обобщающий весь курс раздел; вопросы квантовой физики для старшеклассников представляют новое содержание, что актуализирует проблему активизации познавательной деятельности школьников; для активизации учебно-поисковой работы одиннадцатиклассников методическая система по квантовой физике должна включать систему учебного эксперимента (по изучению энергии в спектре излучения теплового источника и ее зависимости от температуры, по физическим основам лазера, свойствам его излучения и практическому его применению и др.); систему задач; систему контроля и коррекции знаний, умений и навыков; важно при разработке методической системы опираться на ранее полученные и хорошо усвоенные физические знания; в формулировании квантовых представлений важным элементом является не только расширение объема учебного материала, но и углубленное рассмотрение теоретических основ квантовых явлений и их анализа в сочетании с экспериментальным методом их изучения. Во время выяснения квантовых закономерностей учащиеся знакомятся со своеобразными свойствами материи и их закономерностями, вступающими в противоречия с представлениями классической физики. Эти противоречивые свойства следует рассматривать в единстве, не противопоставляя их между собой, а обозначая границы применимости законов классической физики и убедительно и доказательно утверждая естественность квантовых закономерностей; при формировании у выпускников квантовых представлений целесообразно широкое применение принципа моделирования явлений микромира, включая и компьютерное моделирование, одновременно очень эффективными являются и такие средства наглядности, как схемы, рисунки, графики; выяснение основ квантовой теории в школьном курсе полезно объединить с широким использованием мысленных экспериментов, использование ЭВМ должно предусматривать постановку компьютерного учебного эксперимента, не только моделирующего изучаемый объект квантовой физики, но и позволяющего при определенных заданных условиях проводить исследование конкретных квантовых явлений и процессов. Важной остается проблема создания программно-педагогического обеспечения. Доказана целесообразность дополнительного включения в содержание заключительного раздела квантовой физики в выпускном классе вопросов о тепловом излучении и его законах и расширение вопросов о вынужденном излучении и физических основах квантовой электроники. Для обеспечения эффективного ознакомления старшеклассников с основами квантовой механики создана дидактическая система, включающая: разработанные новые учебные эксперименты по квантовой физике, обосновано использование для этого голографических дифракционных решеток, что позволяет формировать вариативные экспериментальные задачи исследовательского характера; разработанную и апробированную систему учебных компьютерных программ, которые позволяют не только моделировать, но и исследовать квантовые явления и процессы. Рекомендовано сочетание физического (реального) и компьютерного (виртуального) учебного эксперимента, что способствует оптимизации учебного процесса по физике и активизирует познавательно-поисковую деятельность одиннадцатиклассников и знакомит их с современными методами познания природы; созданную систему физических задач различного уровня сложности по узловым вопросам квантовой физики; разработанную программу компьютерной проверки знаний и самоконтроля учащихся. Доказана педагогическая эффективность рекомендованного варианта дидактической системы по квантовой физике.

The dissertation is devoted to the theoretical bases and to practical realization of the didactic system in order to form knowledge on the bases of quantum theory under the conditions of differential training physics among senior pupils. The expediency to supplement the contents of the concluding unit in physics on questions covering thermal radiation and its laws and the expansion of the problem concerning compelled radiation and physical bases of quantum electronics for school-leavers is proved. The new educational experiences of research character on quantum physics are developed, the use of holographic difractional lattices for this purpose is proved to be reasonable. The system of educational computer programs is developed and tested which allows to investigate the quantum phenomena. Optimal association of physical and computer educational experiment is recommended. It makes active the cognitive - search activity of the 11 th formers and makes them acquainted with modern methods in knowing nature. The system of physical tasks with various levels of complexity on central questions of quantum physics is created. The program of computer tests and self-checking of knowledge is created. Pedagogical efficiency of didactic system in the recommended variant is proved.