ГЛАВА 1
Анализ выбранной литературы
Квантовая теория является заключительным разделом в школьном курсе физики. Он признан систематизировать и обобщать огромный багаж знаний построению вещества, накопленных школьниками на протяжении всего физики и химии. В этом разделе должны быть раскрыты важные диалектические выводы о познаваемости мира, учащиеся должны получить представление об идеях квантовой теории. Одной из центральных методических задач, при изучении данного раздела является формирование у школьников понятия о дискретном характере изучения и поглощении света, и о значении квантовой теории в современной физике
В результате освоения предметного содержания курса физики у учащихся должны сформироваться как предметные, так и общие учебные умения, а также способы познавательной деятельности. Такая работа может эффективно осуществляться только в том случае, если ребёнок будет испытывать мотивацию к деятельности, для него будут не только ясны рассматриваемые знания и алгоритмы действий, но и представлена интересная возможность для их реализации.
Образовательные и воспитательные задачи обучения физики должны решаться комплексно. Учитель имеет право самостоятельного выбора технологий, методик и приёмов педагогической деятельности, однако при этом необходимо понимать, что необходимо эффективное достижение целей, обозначенных федеральным государственным образовательным стандартом основного общего образования. Существует пакет разнообразных программ, обеспечивающих различные варианты осуществления как уровневой дифференциации в рамках многоуровневых программ и учебников, так и профильной дифференциации
Давайте рассмотрим и проанализируем несколько программ из федерального перечня, авторами которых являются:
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.
2. Мякишев Г.Я., Синяков А. З. углубленный курс
3. А.А. Пинской и О.Ф.Кабардин.
4. Е. Важеевская и Н.С. Пурышева
Квантовая физика по программе Г.Я. Мякишева, классический курс
Это традиционная программа по физике для основной общеобразовательной школы. Составлена она на основе обязательного минимума содержания физического образования для основной школы. В программе, кроме перечня элементов учебной информации, предъявляемой учащимся, содержится перечень демонстраций, лабораторных работ и школьного физического оборудования, необходимого для формирования у школьников умений, указанных в требованиях к уровню подготовки выпускников основной школы. Автор программы предусматривает раздел “Квантовая физика”, содержащий следующие разделы и темы: [].
Световые кванты. Тепловое излучение. Постоянная Планка. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны.
Атомная физика. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода Бора. Трудности теории Бора. Квантовая механика. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Лазеры.
Физика атомного ядра. Методы регистрации элементарных частиц. Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Протон-нейтронная модель строения атомного ядра. Энергия связи нуклонов в ядре. Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика.
Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причём изучают на количественном уровне впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся практически не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома и его ядра школьники получили самые первоначальные представления в базовом курсе физики, а более полные — в курсе химии.
Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику её изучения. В этом разделе учащиеся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного мышления, но и диалектическое мышление. Противоречия “волна-частица”, дискретность-непрерывность” рассматривают с позиций диалектического материализма. [].
Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела очень невелико. Поэтому учебник полон рисунками, чертежами, графиками, фотографиями треков, плакатами и диапозитивами.
К учебнику прилагается приложение, содержащее учебные видеофильмы, диафильмы, а также диапозитивы и настенные таблицы.
Программы с углубленным изучением физики
Под авторством Г. Я. Мякишева существует несколько учебников. Рассмотрим книгу, адресованную учащимся профильных классов и школ «Физика: Оптика. Квантовая физика 11кл.», а именно раздел «Квантовая физика». Он содержит в себе следующие подразделы:
• Световые кванты. Действия света
• Атомная физика. Квантовая теория
• Физика атомного ядра
• Элементарные частицы
• Остановимся поподробнее на первых двух.
Если сравнивать с учебником, разобранным выше, очевидно более широкое раскрытие тем. Повествование строится на «классическом курсе», многие темы одинаково обьясняются. Первая тема "Cветовые кванты. Действие света. Корпускулярно-волновой дуализм". Центральной задачей этой темы является формирование у школьников понятия о дискретном характере излучения и поглощения энергии, о квантах света, о квантовой теории и ее значения в современной физике.
Изучение фотоэффекта, законов, которым подчиняется это явление, их объяснение на основе квантовой теории света, изучение химического действия света и его давления представляют большие возможности для развития понятия фотон (квант света), формирование которого было начато еще в курсе биологии VIII класса и в курсе химии Х класса, а также для раскрытия перед учащимися правомерности использование закона сохранения и превращение энергии применительно к объяснению световых явлений.
Одна из важнейших задач темы - ознакомление одиннадцатиклассников с применением явления фотоэффекта, в технике, химического действия света, с ролью фотосинтеза в природе и способами использования этого явления в интересах человека.
В процессе изучения квантовой оптики школьники убеждаются в том, что фотон - это не абстракция, позволяющая удобно описать оптические явления, а реальная частица
В теме представляется возможным особенно ярко, полно показать школьникам взаимосвязь и взаимообогащение общефизических, релятивистских, квантовооптических и философских понятий - диалектически - противоречивый характер развития науки (на примере представлений о природе света); продемонстрировать школьникам особенности диалектического стиля мышления многих выдающихся ученых- физиков (М. Планк, А. Эйнштейн, А.Г. Столетов, К.А. Тимирязева и других.).
Здесь мы впервые знакомимся с эффектом Комптона, с помощью волнового вектора высчитывается постоянная величина, комптоновская длина волны электрона. Важным отличием я считаю, что здесь нет вопросов для закрепления после каждой темы, а большее внимание уделено задачам: приводятся подробные разборы с обьяснениями.
Следующий подраздел начинается подробного описания спектральных закономерностей, серии Бальмера. Имеются небольшие расхождения в формулировке постулатов Бора, вводятся правило квантования и экспериментально доказывается существование стационарных состояний.
Подробно рассматривается соотношение неопределенностей Гейзенберга, где показывается, что частица не просто шарик, она обладает волновыми свойствами. Активно используется мысленный эксперимент. Проводится межпредметная связь
Вводится понятие квантового источника света – лазера, принцип, разные системы, применение
В учебнике на современном уровне изложены фундаментальные вопросы квантовой физики, представлены основные технические применения законов физики, рассмотрены методы решения задач.
Программа, автором которой является А.А. Пинской и О.Ф.Кабардин.
Достоинством учебника является тщательно разработанный методический аппарат, включающий вопросы и задачи различной степени сложности. Книга хорошо иллюстрирована. К учебнику издана тетрадь для лабораторных работ. Согласно этой программе, в 11-м классе, помимо раздела Электродинамика изучается раздел “Электромагнитное излучение”
Авторы предлагают изложение материала в световых квантах вести в историческом аспекте. Наличие у фотона не только энергии, но и импульса обосновывается световым давлением и эффектом Комптона. На базе опытов Боте и Иоффе-Добронравова рассматривается вопрос о флуктуациях фотонов. Предполагается анализ корпускулярно-волновой двойственности свойств света и электромагнитного излучения других диапазонов.
При изучении темы “Физика атома” вначале называются факты, которые приводят к квантовой тории атома; это анализ опыта Резерфорда, проблема неустойчивости атома с позиции классической физики, невозможность объяснить происхождение линейчатых спектров. Не ограничиваясь полуклассической теорией Бора, программа вводит учащихся в круг идей квантовой механики. Рассматриваются идеи де Бройля, опыты Девиссона и Джермера, соотношение неопределённостей. Вводится пси-функция, и указан её физический смысл. Решение уравнения Шрёдингера для случая частицы в прямоугольной одномерной потенциальной яме позволяет показать, что принцип квантования энергии — логическое следствие основных положений квантовой механики. Введение понятий о спине электрона и принципе Паули даёт возможность разъяснить строение периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Идеи Эйнштейна о самопроизвольном и вынужденном излучении используются как база для раскрытия принципа действия оптического квантового генератора.
Анализируя данную программу, мы видим, что она предусматривает значительный объём учебного материала, более детально и глубоко излагает материал, не ограничивается одной теорией, а вводит другие теоретические идеи, рассматривает задачи, не включенные в традиционный урок.
Физика в самостоятельных исследованиях
Но квантовая физика может вводиться не только в старших классах. Авторы еще одной программы, Н.Е. Важеевская и Н.С. Пурышева, предлагают изучать квантовую физику в 9-м классе. Программа отражает содержание курса физики основной школы. Она учитывает цели обучения физике учащихся основной школы и соответствует государственному стандарту физического образования.
Одной из тем курса физики 9-го класса является тема “Элементы квантовой физики”, её содержание направлено на формирование у учащихся некоторых квантовых представлений и знаний о строении атома и атомного ядра.
Курс физики носит экспериментальный характер, поэтому большое внимание в нем уделено демонстрационному эксперименту и практическим работам учащихся.
В курсе реализована идея уровневой дифференциации. К теоретическому материалу второго уровня, помимо обязательного, т. е. материала первого уровня, отнесены некоторые вопросы истории физики, материал, изучение которого требует хорошей математической подготовки и развитого абстрактного мышления, прикладной материал. Перечень практических работ также включает работы, обязательные для всех, и работы, выполняемые учащимися, изучающими курс на повышенном уровне. В тексте программы выделены первый и второй уровни, при этом предполагается, что второй уровень включает материал первого уровня и дополнительные вопросы. [].
Важнейшей задачей школы, в том числе и преподавания физики, является формирование личности, способной ориентироваться в потоке информации в условиях непрерывного образования. Осознание общечеловеческих ценностей возможно только при соответствующем познавательном, нравственном, этическом и эстетическом воспитании личности. В связи с этим первую цепь можно конкретизировать более частными целями: воспитание у школьников в процессе деятельности положительного отношения к науке вообще и к физике в частности; развитие интереса к физическим знаниям, научно - популярным статьям, жизненным проблемам. Физика является основой естествознания и современного научно - технического прогресса, что определяет следующие конкретные цели обучения: осознание учащимися роли физики в науке и производстве, воспитание экологической культуры, понимание нравственных и этических проблем, связанных с физикой. Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома школьники получили самые первоначальные представления в курсе физики VIII класса и более полные-в курсе химии IX класса. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при первичном изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ, работе с дидактическим материалом и т. д.
?
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ В СТАРШЕЙ ШКОЛЕ
Особенность содержания квантовой физики накладывает отпечаток на методику ее изучения. В этом разделе учащихся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного, но и диалектическое мышление.
