Теорія і практика вдосконалення курсу загальної фізики засобами сучасного навчального фізичного експерименту

З іншого боку, зважаючи на наведені вимоги до побудови системи змісту технологій навчання інноваційних комплексних тем, систематизовано і структуровано навчальний матеріал, що стосується ключових понять, законів і теорій курсу фізики, та введення його як об'єкт пізнання інноваційних комплексних тем. Для введення їх у навчальний процес сформовано відповідні технології навчання, основою яких стали п'ять із семи запропонованих засобів і способів реалізації нових експериментів.

Розробки “Прилад для дослідження швидкості обертання Землі навколо своєї осі” та “Спосіб дослідження властивостей світла;” використовують у вербальному викладі як оригінальні і наочні та необхідні зразки інноваційного підходу висвітлення ключових понять класичної і сучасної фізики і формування у студентів наукового мислення.

У четвертому розділі “Проектування та створення технології навчання теми “Вимірювання та їх похибки”, висвітлюючи непрості для студентів-першокурсників поняття теорії ймовірності, закладено підвалини для розвитку професійних умінь та формування у студентів наукового світогляду - імовірнісного, стохастичного за своїм внутрішнім змістом.

Перше. Вказано на деякі недоліки навчання цієї теми та сформовано засади її вдосконалення, що, зокрема, стосується:

а) подання змісту теми у вигляді концептуально ейдетичної та емпірично-теоретичної системи, структурні елементи якої несуть чітко визначені пізнавальні функції;

б) висвітлення структурних елементів системи, що проводиться під час аналізу одержаних у присутності студентів результатів вимірювань величини, “істинне” значення якої добре відоме студентам;

в) експерименту, який має бути простим та наочним, керуватись з клавіатури комп'ютера. Наочного представлення результатів експерименту на дисплеї та використовування їх для побудови педагогічного програмного продукту теми;

г) програмного варіювання умов перебігу дослідження. Це дає можливість проводити експеримент у штучно створених умовах, забезпечуючи наочне, якісне висвітлення конкретних особливостей процесу вимірювання кожного структурного елементу змісту теми;

ґ) порівняння результатів дослідження елементів структури змісту теми з відомим, “істинним” значенням шуканої величини та між собою. Це полегшує виявленню похибок, сприяє пошуку й аналізу причин відхилень та дає змогу поетапно підводити студентів до розуміння процесу вимірювань і суті похибок;

д) “еволюційного” переходу від наочного подання результатів експерименту у вигляді гістограми до усвідомлення, що обвідну гістограми можна описати певною кривою, знання аналітичного вигляду якої дає усю необхідну інформацію про шукану величину похибки вимірювань.

Друге. Встановлено, що зміст матеріалу теми “Вимірювання та їх похибки” доцільно структурувати п'ятьма блоками-модулями. Їх послідовне введення у процес навчання повинно забезпечити формування у студентів понять теми та їх основних ознак.

У першому блоці-модулі треба ввести поняття “систематична похибка”. У другому - поряд з систематичними похибками ввести випадкові. Подальші три блоки-модулі повинні розкривати основні ознаки випадкових похибок, зокрема: третій - що середнє арифметичне значення вимірюваної величини є функцією кількості спостережень; четвертий, що середнє арифметичне не вказує на величини похибок, і тільки ширина інтервалу розкиду окремих спостережень свідчить про це; п'ятий - що гістограма, а у випадку великої кількості спостережень її огинаюча, яку описує формула Гауса, несе всю інформацію про результати вимірювань.

Третє. Розроблено, виготовлено та узгоджено з комп'ютером установку для дослідження випадкових похибок (рис. 1) та створено її віртуальний аналог (рис.2).

Установка автоматично забезпечує знаходження і висвітлення на екрані монітора значення часу t падіння кульок із заданої висоти h та відповідну експериментально визначену величину прискорення вільного падіння g (рис. 2 б).

Вибір прискорення g як предмета дослідження є важливим для забезпечення наочності. Його числове значення в даній місцевості відоме з великою точністю, тому може бути взяте за “істинне”.

Відповідно до кількості блоків, запропоновано п'ять експериментів, кожний з яких проводять за певних, “технічних”, штучно створених умов, що дає змогу наочно відобразити конкретну особливість процесу вимірювань та властиві йому похибки.

Розділ п'ятий “Вільні механічні коливання: недоліки, засади вдосконалення та технологія навчання”. У даному розділі, по-перше, подано деякі з виявлених недоліків традиційної методики навчання цієї теми. Це, зокрема, брак:

а) наступності при переході у змісті навчання від кінематики до фізики коливань;

б) експериментального підтвердження, що вільні коливальні рухи маятника здійснюються за гармонічним законом;

в) сучасних технічних засобів навчання.

По-друге, розроблено технологію навчання комплексної теми “Рівномірний рух точки по колу та гармонічні коливання”. У ній, насамперед, з метою поліпшення наступності врахована доцільність внесення певних змін у навчальні програми курсу фізики середньої та вищої школи та подано навчальний матеріал, який демонструє взаємозв'язок рівномірного руху точки по колу з простим гармонічним рухом. Такі корективи дають змогу ліквідувати рознесення в часі вивчення матеріалу, усвідомлення якого в подальшому полегшить розуміння фізики коливань і сприяє формуванню асоціативних зв'язків між різними поняттями фізики.

По-третє, розроблено та виготовлено узгоджену з комп'ютером навчальну установку “Фізичний маятник” та розроблено навчальні експерименти, які можна здійснювати на ній.

По-четверте, у підрозділах (“Кінематика”, “Динаміка” та “Енергетика коливальних рухів”) комплексної теми акцентується на тих ключових закономірностях, які виділяють цей об'єкт серед інших і дають можливість об'єднати їх з подібними під спільною назвою “гармонічні рухи”.

Концепція навчання ґрунтується на послідовному усвідомленні та виконанні низки взаємопов'язаних експериментальних завдань, котрі дають змогу:

? переконуватися в ізохронності коливальних рухів маятника;

? уперше експериментально отримати і подати на дисплеї зміщення кута відхилення маятника від часу та знаходити кінематичне рівняння руху;

? уперше демонструючи енергетичні закономірності коливальних процесів знаходити прискорення сили земного тяжіння.

По-п'яте, основою комп'ютерної технології навчання став модельний аналог установки, що дало змогу реалізувати числові віртуальні експерименти.

Шостий розділ “Розвиток інтеграційної структури знань на прикладі розробки технології навчання комплексної теми “Пружинний маятник та заряд електрона” демонструє один з можливих підходів до висвітлення “єдності” фізики як вимоги фундаменталізації та інтеграції знань. У розробленій темі інформацію щодо фізики коливань та електромагнетизму систематизована та структурована і взаємопов'язана та подана як об'єкт пізнання, який висвітлюється наочно та проблемно.

З одного боку, описано розроблену, виготовлену та узгоджену з комп'ютером навчальну установку “Пружинний маятник

З другого - методику проведення низки навчальних експериментів на даній установці, які у технології навчання комплексної теми “Пружинний маятник та заряд електрона” стали структурними елементами шести взаємопов'язаних навчальних блоків-модулів.

Навчання ґрунтується на пошуку відповіді на дещо незвичне, на перший погляд, проблемне запитання; “яким чином можна знайти заряд електрона, досліджуючи коливання вертикального пружинного маятника?”

Перше, переконуються, що механічні коливальні рухи пружинних маятників, поданих на рис. 8 а, б та в, не залежать від магнітних властивостей коливального тіла. Вони - майже гармонічні і тому дають підставу наближено вважати, що сил гальмування механічного походження коливальна система не має.

Крім того, важливо, що виникнення гармонічних коливань електрорушійної сили індукції на кінцях обмотки витків котушки, в каналі якої коливається феромагнетик, ніяк не впливає на механічні властивості такої системи.

Друге. У випадку коливальної системи, яка подана на рис. 8 г, згасання коливань спричинено виникненням сили опору механічного походження. Вона зумовлена в'язкістю води.

Рис. 9. Структурна схема досліджень гармонічних коливань

Крім того, до згасання коливань призводить з'єднання опором R (або “на коротко”) витків обмотки електричної котушки, в каналі якої здійснює коливання постійний магніт (

Але, таке з'єднання витків не може призводити до зміни механічних властивостей коливальної системи. Отже, причиною згасання коливань не можуть бути сили механічного походження.

То, що ж є причиною гальмування?

Водночас, з позицій закону збереження енергії, зрозуміло, що замикання опором витків котушки, у яких індукується електрорушійна сила, призводить до виникнення в ній струму I, а це, в своєю чергою, призводить до виділення у ній теплоти Q. Унаслідок цього система втрачає механічну енергію, яка під час коливань не поповнюється, що призводить до згасання коливань.

Залишається осмислити причин згасання коливань з позицій динаміки.

Рис. 10. Структурна схема дослідження затухаючих коливань

Третє. При аналізі причини виникнення як гальмівної сили Fr, так і електричної сили Fe, що заставляє рухатися електрони провідності мідної обмотки електричної котушки, можна дійти висновку, що сила Fr пов'язана з силою Fe: поява одної спричиняє появу другої. Тоді, пов'язавши між собою ці сили через параметри коливальної системи, стає можливим знайти величину заряду електрона (1)

У сьомому розділі “Діяльнісний підхід до навчання як чинник трансляції з наукової системи в навчальну знань електромагнетизму та спеціальної теорії відносності” зроблено спробу за допомогою створеної експериментальної установки та її модельного комп'ютерного аналогу у технології навчання розробленої теми “Релятивізм магнетизму” показати глибинний взаємозв'язок між уявленнями і поняттями електромагнітної теорії Максвелла, спеціальної теорії відносності Ейнштейна та фізики коливань.

Описано засади побудови і розробки технології навчання інноваційної комплексної теми “Релятивізм магнетизму” та запропоновано відповідні засоби навчання для дослідження руху електронів у електричному та магнітному полях - навчальний прилад та його віртуальний аналог. Для приладу була розроблена та створена спеціальна електронно-променева трубка (рис. 11 б), яка забезпечує виконання цікавих і оригінальних завдань.

Навчальний процес перебігає наступним чином:

По-перше, на лекціях з проблемним викладом на прикладі аналізу руху електрона вздовж провідника зі струмом показують, що закони магнетизму випливають з рівнянь електростатики і спеціальної теорії відносності.

По-друге, на практичних заняттях закладають фундамент розуміння суті експерименту ? акцентують на розв'язанні завдань, які можна надалі реально досліджувати за допомогою лабораторної установки. Таким чином, практичні заняття органічно поєднуються з експериментальними дослідженнями.

По-третє, найефективніше цілі навчання досягаються поєднанням виконання досліджень на реальних та віртуальних засобах експерименту.

Аналіз результатів дослідження руху електронів вздовж прямого провідника зі струмом та в поперечному електричному полі, створеному плоско паралельними пластинами, (розташовані паралельно провіднику , можна проводити, з одного боку, у системі координат, зв'язаній з електронно-променевою трубкою, з другого - з рухомим електроном.

У другому випадку виникає проблема - на нерухомий електрон магнітна сила не діятиме.

Але, що тоді діятиме зі сторони провідника на нерухомий електрон у зв'язаній з ним системі координат?

Важливо, що необхідною умовою для пояснення результатів експерименту і розв'язання проблеми є усвідомлення взаємозв'язку магнетизму з релятивізмом.

Методика дослідження побудована таким чином, що дає можливість вимірювати кількома способами швидкість руху електронів та використовувати її у подальших дослідженнях для знаходження або питомого заряду електрона, або швидкості розповсюдження електромагнітної взаємодії. Це дає змогу переконатися, що отримана величина швидкості збігається із відомою у літературі величиною швидкості світла у вакуумі.

По-четверте, розроблено віртуальні експерименти, які проводять з допомогою комп'ютерних модельних установок

Вони стали основою для створення структурних елементів педагогічного програмного продукту - технології навчання теми “Релятивізм магнетизму”:

а) “Рух електронів в електричному та магнітному полях”

Це - аналог реального дослідження руху електронів у полі плоско паралельних пластин та вздовж прямого провідника зі струмом;

б) “Коливання та швидкість руху електрона” Це теж аналог реального дослідження, яке дає змогу знаходити швидкість руху електронів, досліджуючи їх рух крізь взаємно перпендикулярні високочастотні електричні поля створені двома системами послідовно розміщених відхиляючих пластин.

в) “Додавання взаємно перпендикулярних електричних гармонічних коливань”. Цей структурний елемент сприяє засвоєнню явища додавання взаємно перпендикулярних гармонічних коливань, зокрема, зрозуміло: як величина зсуву фази коливань впливає на результат додавання.

Восьмий розділ ? “Науковість, наочність, наступність та проблемний підхід - засади переходу від концепцій класичної фізики до сучасної”.

У даному розділі подано засади створення технології навчання інноваційної комплексної теми “Електронна хвиля та атоми арґону і криптону”. Це зразок того, як можна непрості як для викладання, так і для засвоєння поняття атомної фізики “еволюційно”, науково та наочно, проблемно та доступно вводити у навчання, використовуючи неспроможність класичної фізики пояснити результати експериментального дослідження, у яких проявляється взаємодія низькоенергетичних електронів з атомами арґону та криптону.

Експеримент проводять на спеціально виготовленій установці, досліджуючи вольт-амперні характеристики вакуумної лампи та лампи, наповненої сумішшю арґону з криптоном

Показано, що різкий максимум на вольт-амперній характеристиці лампи, наповненої сумішшю арґону з криптоном в околі значень напруги 1,8 В, не можна пояснити з класичних міркувань. Якщо врахувати контактну різницю потенціалів між електродами лампи, то максимум кривої повинен був би відповідати напрузі 1 В.

Очевидно, він пов'язаний з надзвичайною прозорістю для електронів атомів арґону та криптону, яку спостерігав Рамзауер (рис. 13 д), Аналізуючи дані, подані в таблиці на рис.13 е, видно, що суто геометричний переріз атомів Ar і Kr у 10 разів перевищує ефективний поперечний переріз зіткнення у у мінімумі кривих, отриманих Рамзауером.

Отже, якщо електрони мають енергією 1 В, то вони проходять крізь атоми арґону і криптону , не відбиваючись. Як це може бути?

Очевидно, крім корпускулярних властивостей, електронам притаманні ще інші, про які на початку 20-х років ХХ ст. ще не знали. Це - хвильові властивості. Н. Бор припустив, що зважаючи на них, стають можливими явища, аналогічні тим інтерференційним ефектам, які можна спостерігати при проходженні світлових хвиль через тонкі шари речовини, зокрема, які підвищують прозорість оптичних об'єктів (рис. 13 ж).

Якщо наближено уявимо атоми Ar і Kr як потенціальні ями прямокутної форми з плоским дном, ширина яких відповідає розмірам атома L, та стінками висотою (рис. 13 з), то у випадку, коли довжина електронної хвилі дорівнює подвоєній ширині потенціальної ями:

,

відбиті при такі хвилі будуть однакові по амплітуді, але відрізнятимуться на за фазою; тобто вони гаситимуть одна одну (рис.13 з) відбитої хвилі не буде: електрони проходять так, якби ями не було зовсім.

Однак, енергії електронів 1 еВ у мінімумі прозорості відповідає довжина хвилі

,

яка є сумірною з подвоєною шириною потенціальної ями, але все ж таки дещо меншою за неї. Чому?

Це результат силової дії поля атома на електронну хвилю. За величиною різниці значень довжини електронної хвилі поза потенціальною ямою (вільний електрон) і у ній можна підрахувати її глибину.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Унаслідок реалізації системного підходу до врахування взаємозв'язку суспільства з освітою, освіти з фізикою, фізики з методикою навчання та методики навчання з об'єктом пізнання, його пізнавально-навчальними властивостями, виявлено певні закономірності і зроблено відповідні висновки. Це було враховано під час розробок нових навчальних експериментів як невіддільних компонентів технологій навчання комплексних тем курсу фізики, що охоплюють ключові поняття, закони, теорії та взаємозв'язки між ними.

1. Суперечності між вимогами і реальним рівнем знань з фізики у студентів закладено усталеною методикою навчання фізики. Вона не дає змоги реалізувати концепцію фізичної освіти, основою якої є зростання фундаментального, гуманітарного і технічного потенціалу. Ці протиріччя спричинені, зокрема:

- тим, що у наукових дослідженнях з методики навчання фізики її гуманітарна складова переважає природничо-наукову, що призводить до певного абстрагування досліджень та не сприяє висвітленню конкретного змісту курсу фізики;

- недоліками висвітлення ключових понять фізики та взаємозв'язків між ними засобами сучасного навчального експерименту;

- недостатнім врахуванням вимог сучасної освітньої парадигми.

2. Розроблено і реалізовано засади інноваційного напряму вдосконалення курсу загальної фізики, в якому експеримент - засадничий чинник технологій навчання нових комплексних тем, що охоплюють ключові поняття, закони, теорії і є результатом системного врахування вимог дидактики і діалектики, науково-технічного прогресу, тенденцій освіти, зокрема, методики та фізики як науки.

Висвітленню змісту тем повинні сприяти навчальні експериментальні дослідження, у яких:

- розв'язується завдання знаходження числового значення основних фізичних сталих;

- пошук розв'язку поставленого завдання стосується навчального матеріалу різних розділів фізики та охоплює взаємозв'язки між ними;

- розв'язок досягається у процесі послідовного виконання низки взаємопов'язаних експериментів.

3. Розкрито передумови впровадження технологій навчання інноваційних комплексних тем курсу загальної фізики, які полягають в тому, що технології сприяють підвищенню наочності та науковості викладання, висвітленню взаємозв'язків між матеріалом різних розділів фізики й усвідомленню єдності фізики, наступності у навчанні фізики від середньої до вищої школи, переходу від особистісно орієнтованого навчання до самостійного і дають змогу підвищити рівень організації навчального процесу, системність і цілісність керування ним.

4. Встановлено і реалізовано засади побудови технології навчання теми “Вимірювання та їх похибки“, у якій розкриваються деякі поняття теорії ймовірності та закладаються підвалини як для подальшого навчання фізики і розвитку професіональних умінь та навичок, так і формування у студентів наукового світогляду (імовірнісного, стохастичного).

Зміст навчання теми представлено як концептуально ейдетичну та емпірично-теоретична систему, структурні елементи якої мають чітко визначене навчальне призначення. Їх висвітлення здійснюється під час виконання навчальних експериментів.

Уперше розроблено, виготовлено й узгоджено з комп'ютером навчальну установку для дослідження випадкових похибок та її модельний комп'ютерний аналог (предмет дослідження ? прискорення сили земного тяжіння).

Процес пізнання відбувається шляхом реалізації діяльнісного підходу, спрямованого на усвідомлення змісту структурних елементів теми та взаємозв'язків між ними.

5. Встановлено засади покращення наступності переходу від підрозділу “Кінематика” до підрозділу “Гармонічні коливання”.

Навчальний матеріал систематизовано і структуровано навколо основних понять фізики коливань. Цей матеріал подано як об'єкт пізнання комплексної теми “Рівномірний рух точки по колу та гармонічні коливання”.

Висвітленню змісту теми сприяють навчальні експерименти, які здійснюються за допомогою розробленої, виготовленої та узгодженої з комп'ютером навчальної установки “Фізичний маятник”. Це дало можливість вперше у навчальному процесі досліджувати кінематичне рівняння руху фізичного маятника та демонструвати взаємоперетворення енергії, на основі яких знаходити числове значення прискорення сили земного тяжіння.

6. Розроблено комплексну тему “Пружинний маятник та заряд електрона” та її технологію навчання. Це - приклад розкриття і побудови інтегративної системи знань, яка пов'язує поняття і закономірності фізики коливань і електромагнетизму.

По-перше, розроблено, виготовлено та узгоджено з комп'ютером установку “Пружинний маятник”, яка не має аналогів у навчальній практиці. Створено її комп'ютерний модельний аналог. Розроблено методику проведення навчальних експериментів як реальних, так і віртуальних.

По-друге, встановлено співвідношення між параметрами коливальної системи (вертикальний пружинний маятник, коливальним тілом якого є постійний магніт, що здійснює коливання у каналі електричної котушки, витки якої закорочені) і параметрами коливань.

Воно полягає у тому, що коефіцієнт згасання прямо пропорційний заряду електрона e, кількості витків n в обмотці електричної котушки і обернено пропорційний масі m коливального тіла та довжині l дроту обмотки електричної котушки.

По-третє, створено методологію знаходження заряду електрона. Це дало можливість у комплексній темі “Пружинний маятник та заряд електрона” об'єднати низку навчальних досліджень, які стосуються вільних механічних та вимушених гармонічних коливань, затухаючих механічних та електричних коливань, явища електромагнітної індукції та закону збереження і перетворення енергії. У процесі їх виконання демонструються взаємозв'язки між ключовими фізичними поняттями і закономірностями різних розділів фізики. За результатами експериментальних досліджень знаходиться числове значення заряду електрона.

7. На основі інтеграції, систематизації, структуризації понять, теорій і законів електромагнетизму, спеціальної теорії відносності Ейнштейна та фізики коливань сформовано комплексну тему “Релятивізм магнетизму”.

У її технології навчання існуючі взаємозв'язки між елементами структури знань теми постають у конкретизованих навчальних цілях та розкриваються в єдиному навчальному руслі у різних формах навчання (лекція, практичні та лабораторні заняття).

Експериментальні завдання виконуються на спеціально розробленому і виготовленому навчальному приладі для дослідження руху електронів в електричному та магнітному полях та його комп'ютерному модельному аналогу.

Зокрема, з одного боку, досліджується рух електронів крізь взаємно перпендикулярні високочастотні електричні поля рознесених у просторі двох систем відхиляючих пластин та за результатами експерименту знаходять швидкість їх руху, значення якої використовують у подальших дослідженнях.

З іншого - рух електронів вздовж пластин зарядженого плоского конденсатора та вздовж прямого провідника зі струмом, який симетрично розташований над ними. Це дає можливість для аналізу результатів експерименту і розв'язання проблемної ситуації, яка виникає, якщо аналізувати рух електрона у системі координат, що пов'язана з ним (і в якій він - нерухомий), застосовувати положення спеціальної теорії відносності Ейнштейна. Це дає можливість, переконатись, що рівняння магнетизму випливають із рівнянь електростатики і теорії відносності, знайти швидкість розповсюдження електромагнітної взаємодії - швидкість світла у вакуумі.

8. Науковість і наочність, наступність та проблемний підхід як засади переходу від концепцій класичної фізики до сучасної реалізовано під час побудови змісту та структури комплексної теми “Електронна хвиля та атоми арґону і криптону”.

Основою технології навчання теми, її засадничим чинником, є розв'язання проблемної ситуації, яка виникає як результат неспроможності класичної фізики пояснити результати простого експериментального дослідження руху електронів у поздовжньому електричному полі в атмосфері суміші арґону з криптоном.

Це, з одного боку, відкриває шлях для введення у навчальний процес курсу загальної фізики важливих понять атомної фізики (де'Бройлівська хвиля, як характеристика вільного електрона, силова дія на яку описується рівнянням Шредінгера, та потенціальна яма, яка описує атом).

З другого - сприяє висвітленню взаємозв'язку оптики (зокрема, просвітлення оптики, яке описує відома формула О. Смакули) з атомною фізикою.

9. Розроблено новий метод дослідження руху тіл, який дає змогу демонструвати в навчальному лабораторному практикумі неінерціальність систем відліку, пов'язаних із Землею, та знаходити швидкість обертання Землі навколо своєї осі.

10. Доопрацьовано відомий класичний метод демонстрації хвильових властивостей світла - метод зон Френеля, та розповсюджено його на демонстрацію квантово-механічних особливостей поведінки мікрочастинок. Це сприяє усвідомленню, що причинність фізичних законів мікросвіту - не причинний зв'язок окремих подій, а потенціальна можливість їх спостереження.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИСВІТЛЕНО В ТАКИХ ПУБЛІКАЦІЯХ АВТОРА

1. Орищин Ю.М. Теорія і практика вдосконалення курсу загальної фізики (сучасний навчальний експеримент). Монографія. ? Львів: Видавничий дім “Панорама”, 2003. ? 264 с.

2. Орищин Ю.М. Про традиційну технологію навчання курсу фізики в контексті сучасності // Науково-методичний збірник “Проблеми освіти”. -

К.: ІЗМН, 1999. - Вип. 16. - С. 190_196.

3. Орищин Ю.М. Сучасні навчальні технології в курсі загальної фізики // Наука і сучасність. Збірник наукових праць. Національний пед. ун-т ім. М.П. Драгоманова. - К.: Логос, 1999. - Вип. 2. - Ч.4. - С. 92_98.

4. Орищин Ю.М. Оновлення змісту курсу загальної фізики // Наукові записки. Збірник наукових статей національного пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова. - К.: НПУ, 2001. - Вип. 39. - С. 111_116.

5. Орищин Ю.М. Про принципи побудови нової технології навчання фізики // Нові технології навчання: Наук-метод. зб. - К.: НМЦВО, 2000. - Вип. 27. - С. 159_166.

6. Орищин Ю.М. Проблеми формування знань з фізики у студентів // Наукові записки: Збірник наукових статей національного пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова. - К.: НПУ, 2002. - Вип. 48. - С. 135_140.

7. Орищин Ю.М. Про розробку нових технологій навчання фізики // Збірник наукових праць Кам'янець-Подільського державного ун-ту. Серія педагогічна. - 2003. - Вип. 9. - С. 37_39.

8. Орищин Ю.М. Окремі тенденції розвитку освіти. Проблеми та шляхи розв'язку // Науково-методичний збірник “Проблеми освіти”. - К.: ІЗМН, 2003. - Вип. 33. - С. 139_146.

9. Орищин Ю.М., Пірко І.Б. Дослідження швидкості обертання Землі навколо своєї осі в навчальному практикумі // Проблеми методики викладання фізики на сучасному етапі. Збірник статей. - Кіровоград, 2000. - С. 196_199 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,4 др. арк.).

10. Орищин Ю.М. Виявлення хвильових та корпускулярних властивостей електронів в навчальному експерименті. Наукові записки // Збірник наукових статей національного пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова. - К.: НПУ, 2001. - Вип. 18. - С. 258_266.

11. Орищин Ю.М. Технологія навчання теми “Вимірювання та їх похибки. Розробка та впровадження” // Збірник науково-методичних праць Рівненського пед. ун-ту “Теорія і практика вивчення природничо-математичних і технічних дисциплін”. - Рівне: РДГУ, 2003. - Вип. 5. - С. 82_84.

12. Орищин Ю.М., Войтко М. В. Деякі аспекти побудови нової технології навчання “Пружинний маятник та заряд електрона” // Наукові записки. Збірник наукових статей національного пед. ун-ту ім. М.П. Драгоманова. - К.: НПУ, 2003. - Вип. 49. - С. 101_106 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,4 др. арк.).

13. Орищин Ю.М. Про релятивізм магнетизму в лабораторному практикумі з фізики // Фізичний збірник Наукового товариства ім. Шевченка. - Львів, 1993. - Т.1. - С. 360_370.

14. Орищин Ю.М. Про фундаментальний принцип відносності та спеціальну теорію відносності // Методичні особливості викладання фізики на сучасному етапі. Науково-методичний збірник. - Кіровоград, 1998. - Р.2. - С. 147_49.

15. Орищин Ю.М., Пірко І.Б. До питання про комп'ютерно орієнтоване навчальне дослідження з електромагнетизму // Збірник наукових праць “Комп'ютерно орієнтовані технології навчання”. - К.: НПУ ім. Драгоманова, 2001. - Вип. 3. - С. 218_227 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,4 др. арк.).

16. Орищин Ю.М. Тема “Релятивізм магнетизму” в курсі загальної фізики. Фрагмент розробки // Збірник науково-методичних праць Рівненського пед. ун-ту “Теорія і практика вивчення природничо-математичних і технічних дисциплін”. - Рівне: РДГУ, 2000. - Вип. 2. - С. 109_116.

17. Орищин Ю.М. Методика навчання кінематичних динамічних та енергетичних закономірностей коливальних рухів маятника // Наукові записки. - Вип.55. - Серія: Педагогічні науки. - Кіровоград: КДПУ ім. В. Винниченка, 2004. -С. 82-89.

18. Орищин Ю.М. Реальний та модельний комп'ютерний експеримент ? основа нової технології навчання “Вимірювання. Елементарні оцінки похибок вимірювання” // Вісник Чернігівського держ. пед. ун-ту, 2004. - Вип.23. -

С. 272-279.

19. Орищин Ю.М. Про розробку методики навчання теми “Вимірювання. Елементарні оцінки похибок вимірювання” // Вісник Чернівецького ун-ту. Педагогіка і психологія. - 2004. - Вип. 208 .- С. 137_143.

20. Орищин Ю.М. Розробка та впровадження нової технології навчання теми “Релятивізм магнетизму” // Збірник наукових праць Кам'янець-Подільського державного ун-ту. Серія педагогічна. Дидактика фізики в контексті орієнтирів Болонського процесу. - 2005. - Вип. 11. - С. 50_54.

Авторські свідоцтва (визнані ВАК фаховими публікаціями)

21. Учебный прибор по физике А.С. 1559372 СССР, MKИ G 09 23/18./ Орищин Ю.М., Савчин В.П., Злобин Г.Г., Ижнин И.И. (СССР). - № 43964222/31 - 12; заявлено 17. 03. 88, опубл. 23.04.90. Бюл. № 15. - 3 с. (внесок дисертанта - ідея, розробка вузлів; 0,1 др. арк.).

22. Способ исследования движения тел. А.С. 1818629 СССР, MKИ G 09 B 23/08./ Орищин Ю.М., Савчин В.П., Вайданич В.И. - № 4842005/12; заявлено 09. 04. 90; опубл. 30. 05. 93. Бюл. № 20. - 4 с. (внесок дисертанта - ідея, розробка вузлів; 0,1 др. арк.).

23. Учебный прибор по физике для демонстрации колебаний пружинного маятника. А.С. 1770972 СССР, MKИ G 09 B 23/18./ Орищин Ю.М., Савчин В.П., Стахира Й.М., Злобин Г.Г., Ижнин И.И. (СССР). - 4899813/12; заявлено 08.01. 91; опубл. 23. 10.92 92. Бюл. № 39. - 5 с. (внесок дисертанта - ідея, розробка вузлів; 0,12 др. арк.).

24. Способ исследования движения электронов в электрическом и магнитном полях. А. С. 1472940 СССР, MKИ G 09 B 23/18./ Орищин Ю.М., Савчин В.П., Вайданич В.И., Стахира Й.М. (СССР). - № 4220782/3112, заявлено 01.04.87, опубл. 15.04.89. Бюл.14. - 3 с. (внесок дисертанта - ідея, розробка вузлів; 0,1 др. арк.).

25. Учебный прибор для исследования движения электронов в электрическом и магнитных полях. А. С. 1536431 СССР, MKИ G 09 B 23/18./ Орищин Ю.М., Савчин В.П., Вайданич В.И., Стахира Й.М. (СССР). - № 4267325/3112. заявлено 24.06.87, опубл. 15.01.90. Бюл. 2. - 3 c. (внесок дисертанта - ідея, розробка вузлів; 01 др. арк.).

26. Способ исследования свойств света. А.С. 1805490 СССР, MKИ G 09 B 23/22./ Орищин Ю.М., Савчин В.П. (СССР). - № 4842006/12.; заявлено 09.04. 90; опубл. 30.03.93. Бюл. № 12. - 3 с. (внесок дисертанта - ідея, розробка вузлів; 01 др. арк.).

Матеріали конференцій

27. Oryshchyn Yu. M., Savchin V.P. New demonstrational physics experiments // Proc. Contributed Paper International Conference Physics in Ukraine. - K., 1993. - Р. 177_180 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,15 др. арк.).

28. Орищин Ю.М. Про нову технологію вивчення теми “Елементарні похибки вимірювання” // Матеріали науково-практичної конф. “Актуальні проблеми викладання фізики”. - Львів, 1996. - С. 23_24.

29. Орищин Ю.М. Шляхи покращення наочності при викладанні теми “Вільні механічні коливання” // Матер. науково-практичної конф. “Актуальні проблеми викладання фізики”. - Львів, 1996. - С. 35_36.

30. Орищин Ю.М. Про впровадження елементів нової технології навчання в лабораторному практикумі з електромагнетизму // Науково-практ. семінар “Створення і використання електронних приладів в лабораторному практикумі з електрики і магнетизму”. Збірник наук. праць. - Житомир, 1994. - С. 30_33.

31. Орищин Ю.М. Окремі аспекти побудови нових технологій навчання з фізики // Матеріали 2-ої Всеукр. конф. “Проблеми удосконалення фундаментальної і професійної підготовки вчителів фізики”. - К., 1996. - С. 68_71.

32. Орищин Ю.М., Теличин І.М. Підвищення професійного рівня вчителів на основі застосування сучасних навчальних приладів // Матер. 2-ої Всеукр. конф. “Проблеми удосконалення фундаментальної і професійної підготовки вчителів з фізики”. - К., 1996. - С. 101_104 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,15 др. арк.).

33. Вайданич В.І., Орищин Ю.М., Волошин Л.І. Елементи нових інформаційних технологій навчання при вивченні фізики // Нові інформаційні технології навчання в учбових закладах України. Статті за матер. науково-методичної конф. - Одеса, 1997. - С. 112_114 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,2 др. арк.).

34. Орищин Ю.М. Про проблеми в навчальному процесі курсу загальної фізики та пошук їх розв'язку // Матеріали Всеукраїнської науково-практичної конференції “Дидактичні проблеми дидактичної освіти в Україні”. - Чернігів, 1998. - С. 120_121.

35. Ляшенко О.І., Орищин Ю.М. Шляхи вдосконалення вивчення вільних механічних коливань // Матеріали 3-ої Всеукраїнської конференції “Фундаментальна та професійна підготовка фахівців з фізики”. - К., 1998. - С. 23_27 (внесок дисертанта - 0,15 др. арк.).

36. Орищин Ю.М., Пірко І.Б. Нові навчальні дослідження при вивченні вільних механічних коливань // Науковий вісник Миколаївського державного пед. ун-ту. - 1999. - Вип.1 - С. 78_84 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,35 др. арк.).

37. Orishchin Оu. M. Development of new laboratory experiments the basis of modern educational technologies // 4-th Intern. Seminar “Experiments and measurements in engineering physics education”. - Brno (Czech Republic), 1998. - Р.12_15.

38.Orishchin Ou. М., Yaremyk R. Experiment investigation of electron motion as basis teaching in quantum mechanics // Intern. Seminar on “Engineering aspects in physics education”. - Smolenice (Slovak Republic), 1999. - Р. 92_96 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,25 др. арк.).

39. Ляшенко О.І., Орищин Ю.М., Пірко І.Б. Нові навчальні дослідження при вивченні вільних механічних коливань // Збірник наукових праць Кам'янець-Подільського державного ун-ту. Дидактика природничо-математичних дисциплін. - 1999. - Вип. 5. - С. 163_167 (внесок дисертанта - ідея, постановка завдання; 0,2 др. арк.).

АНОТАЦІЯ

Орищин Ю.М. Теорія і практика вдосконалення курсу загальної фізики засобами сучасного навчального експерименту. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора педагогічних наук за спеціальністю 13.00.02 - теорія і методика навчання фізики. Національний педагогічний університет імені М. П. Драгоманова, Київ, 2006.

Розглянуто тенденції розвитку вищої професійної школи, психолого-педагогічні проблеми формування знань з фізики у студентів та досвід їх розв'язання.

Розроблено засади інноваційного напрямку вдосконалення курсу загальної фізики, в якому інновації в методиці навчання є засобами його розвитку, а експеримент - засадничим чинником технологій навчання нових комплексних тем, що охоплюють ключові поняття, закони, теорії і є результатом системного врахування вимог дидактики і діалектики, науково-технічного прогресу, тенденцій освіти, зокрема, методики та фізики як науки.

У контексті поданого, з одного боку, для ефективного вивчення ключових понять, законів і теорій курсу фізики та взаємозв'язків між ними розроблено нові експерименти і способи їх реалізації та спроектовано і створено відповідні засоби навчання: “Прилад для демонстрації закономірностей випадкових похибок”, “Прилад для дослідження швидкості обертання Землі навколо своєї осі”; “Установка для дослідження механічних коливань (фізичний маятник)”, “Прилад для демонстрації коливань пружинного маятника”, “Спосіб та прилад для дослідження руху електронів в електричному та магнітному полях”, “Спосіб дослідження властивостей світла” та “Установка для дослідження корпускулярних та хвильових властивостей електронів”. Більшість із них не мають аналогів у вітчизняному та зарубіжному навчальному практикумі курсу загальної фізики. Їх новизна та актуальність підтверджена авторськими свідоцтвами на винаходи.

З другого боку, зважаючи на принципи і методи дидактики та принципи діалектики, систематизовано і структуровано навчальний матеріал, що стосується ключових понять, законів і теорій курсу фізики, та подано його як об'єкт пізнання інноваційних комплексних тем “Вимірювання та їх похибки”, “Рівномірний рух точки по колу та гармонічні коливання”, “Пружинний маятник та заряд електрона”, “Релятивізм магнетизму”, “Електронна хвиля та атом арґону і криптону”.

Для впровадження тем у навчальний процес, сформовано відповідні технології навчання, основою яких є розроблений навчальний експеримент.

Ключові слова: освіта, вдосконалення, інновації, загальна фізика, експеримент, навчальні прилади, технологія навчання, комплексна тема, вимірювання та їх похибки, коливання, електромагнітна індукція, заряд електрона, релятивізм магнетизму, швидкість світла, інтерференція електронних хвиль.

АННОТАЦИЯ

Орищин Ю.М. Теория и практика усовершенствования курса общей физики средствами современного учебного эксперимента. Рукопись.

Диссертация на соискания ученой степени доктора педагогических наук по специальности 13.00.02 - теория и методика обучения физики. Национальный педагогический университет имени М. П. Драгоманова, Киев, 2006.

Рассмотрены отдельные аспекты теории и практики усовершенствования курса общей физики средствами современного учебного эксперимента как неотъемлемого компонента разработанных технологий изучения инновационных комплексных тем, которые охватывают ключевые понятия, законы, теории и есть результатом системного учета требований дидактики и диалектики, научно-технического прогресса, тенденций образования и методики физики как науки. Раскрыты предпосылки внедрения их в курс общей физики, состоящие в повышении уровня организации учебного процесса, системности и целостности управления. Результатом внедрения есть улучшение раскрытия взаимосвязей между материалом различных разделов, наглядности, последовательности обучения, перехода к личностно-ориентированному и самостоятельному обучению.

С одной стороны, для эффективного освещения ключевых понятий, законов и теорий курса физики и взаимосвязей между ними разработаны новые эксперименты и способы их реализации, спроектированы и созданы соответствующие средства обучения: “Прибор для демонстрации закономерностей случайных ошибок”, “Прибор для исследования скорости вращения Земли вокруг своей оси”, “Установка для исследований механических колебаний”, “Прибор для демонстрации колебаний пружинного маятника”, “Способ и прибор для исследования движения электронов в электрическом и магнитном полях”, “Способ исследования свойств света” и “Установка для исследования корпускулярных и волновых свойств электронов”. Большинство из них не имеют аналогов в учебной практике, их новизна и актуальность подтверждена авторскими свидетельствами на изобретения.

С другой, учитывая принципы и методы дидактики и принципы диалектики, систематизировано и структурировано учебный материал, касающийся ключевых понятий, законов и теорий курса физики и представлено как объект познания инновационных комплексных тем. Разработаны и сформированы соответствующие технологии обучения, основой которых являются пять из семи предложенных средств и способов реализации новых экспериментов.

Впервые предложено и реализовано программное варьирование условий протекания эксперимента по измерению ускорения свободного падения тел g на специально изготовленной для этого и согласованной с компьютером установке и ее виртуальном аналоге. Оно внедрено в технологии обучения темы “Измерения и их ошибки“, в которой содержание обучения представлено как система, структурные элементы которой имеют четко определенные учебные цели. Обучение строится на сравнении результатов измерения ускорения g с “истинным” значением измеряемой величины, хорошо известной студентам. Это дает возможность акцентировать внимание на особенностях процесса измерения и его ошибках, целесообразности перехода от количественного представления результатов измерений в виде гистограммы к описанию их распределением Гаусса.

Технология изучения комплексной темы “Равномерное движение точки по окружности и гармонические колебания” позволяет улучшить последовательность обучения, его структуризацию и систематизацию вокруг основных понятий физики колебаний. На созданной компьютеризированной установке “Физический маятник” и ее виртуальном аналоге можно исследовать изохронность колебаний физического маятника и кинематическое уравнение движения, определять ускорение силы земного тяготения, используя закон сохранения и превращения энергии.

Впервые установлено соотношение между параметрами колебательной системы (вертикальным пружинным маятником, колебательным телом которого является постоянный магнит, колеблющийся в канале электрической катушки, и зарядом электрона). Это дало возможность в технологии обучения комплексной темы “Пружинный маятник и заряд электрона” объединить ряд учебных исследований: свободных и вынужденных механических и электрических колебаний, явления электромагнитной индукции и закона сохранения и превращения энергии. В процессе их выполнения демонстрируются ключевые физические понятия разных разделов физики и взаимосвязи между ними и, по результатам экспериментальных исследований, находят заряд электрона.

Предложено технологию изучения комплексной темы “Релятивизм магнетизма”. На основании интеграции, систематизации и структуризации элементов знаний по теории электромагнетизма, специальной теории относительности и физике колебаний оригинально представлены взаимосвязи между ними, конкретизированы учебные цели, которые предстают в едином учебном русле на лекциях и практических занятиях. На основании результатов экспериментального исследования движения электрона во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, и воспользовавшись явлением сложения взаимно перпендикулярных колебаний как инструментом для нахождения скорости движения электрона, определяют или отношение величины заряда электрона к его массе, или величину скорости света.

Технология изучения комплексной темы “Электронная волна и атомы аргона и криптона” построена так, что проблемная ситуация возникает как следствие неспособности классической физики пояснить результаты простого экспериментального исследования движения электронов в продольном электрическом поле в атмосфере смеси аргона с криптоном. Это, с одной стороны, открывает путь для введения и изучения важных понятий атомной физики (свободный электрон ? де'Бройлевская волна, силовое действие на которую описывает уравнение Шредингера, и потенциальный ящик, который описывает атом). С другой ? показывает взаимосвязь с оптикой (просветление оптики, которое описывает известная формула О. Смакулы).

Предложенный подход содействует возрастанию фундаментализации и интеграции курса физики, реализации деятельностного метода обучения и облегчает формирование знания физики студентами.

Ключевые слова: образование, совершенствование, инновация, общая физика, эксперимент, учебные приборы, технология обучения, комплексная тема, измерения и их ошибки, колебания, электромагнитная индукция, заряд электрона, релятивизм магнетизма, скорость света, интерференция электронных волн.

SUMMARY

Oryshchyn Yu.M. Theory and practice of the course of general physics improvement by means modern educational experiment. Manuscript.

Dissertation for scientific degree doctor degree of pedagogical sciences. Specialty 13.00.02 - theory and methods of physics education. - National Dragomanov pedagogical university, Kyiv, 2006.

Same aspects of theory and practice of the course of general physics improvement by means of modern educational experiment, as an integral component of new technologies of teaching innovational complex themes - scientifically substantiated means of reflection specimens of educational activity, invariants of educational process, have been considered.

On the one hand, for effective learning key notions, laws and theories of the course of physics and relationships among them, new experiments and means of their realization have been worked out and corresponding means of teaching have been designed and produced: “Appliance for demonstration of the occasional errors' law”, “Appliance for investigation of the Earth rotation velocity around its axes”, “Appliance for demonstration of the spring pendulum swings”, “Appliance for investigation of mechanical swings (physical pendulum)”, “Method and appliance for the study of electron motion in electric and magnet fields”, “Method of light properties' study”, and “Appliance for the study of corpuscular and wave properties of electrons”.

Most of them don't have analogues in teaching practicum of the course of general physics in this country and abroad. Their novelty and actuality have been confirmed by certificates of recognition.

On the other hand, considering principles and methods of didactics and principles of dialectics, we systemized and structured educational material, as to key notions, laws and theories the course of physics and have given it as the object of knowledge of innovational complex themes of “Measurements and their errors”, “Uniform motion of a point around the circle and harmonic oscillations”, “Spring pendulum and electron charge”, “Relativity of magnetism”, “Electron-wave and atoms of argon and krypton”.

To enlighten them in the educational process, there have been formed corresponding technologies of teaching, the basis if which is the worked out teaching experiment.

Key words: education, improvement, innovations, teaching appliances, general physics, experiment, technology of teaching, complex theme of measurement and its errors, oscillations, electromagnetic induction, electron charge, relativity of magnetism, light velocity, interference of electron waves.

Размещено на Allbest.ru