ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………........…...3

Глава I. Методика изучения раздела «Квантовая физика в средней школе»…...............................................................………………………........………..6

1.1 Значение и  роль изучения квантовой физики в средней школе………….......….7

1.2 Особенности методики изучения раздела «Квантовая физика».........................12

1.3 Использование  современных компьютерных технологий  при изучении лазеров в средней  школе.…………………………………...............................................…….14

Выводы по I главе…………………………………………………...................……...16

Глава II. Методическая разработка урока на тему «Лазеры».…...........………..17

Выводы по II главе……………………………………………………..................…..25

Заключение…………………………………………………………………….......….26

Приложения…………………………………………………………………........…...27

Литература……………………………………………………………………........….30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

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 одной современной 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 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, А.С. 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 ориентации, 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, А.А. Богуславского, Д.В. Баяндина, Э.В. Бурсиана, Ю.А. Воронина, Ю.А. Гороховатского, В.А. Извозчикова, А.С. Кондратьева, В.В. Лаптева, А.И. Назарова, В.В. Лаптева, Р.В. Майера, Ю.С. Песоцкого, О.В. Поваляева, И.В. Роберт, А.В. Смирнова, К. Стафеева, С В . Степанова, Г.Н. Степановой, А.И. Фишмана А.С. 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 данной работы 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 является 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.

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.

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

Методы  исследования: обобщение, структурирование, анализ, синтез.

Методологическая  база: законы квантовой механики, законы механики больших скоростей, законы строения атомного ядра, явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного излучения атомов и молекул.

Структура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы из 16 источников. В I главе описывается роль и значение квантовой физики в школьном курсе,  рассматриваются особенности методики изучения данного раздела и использование современных компьютерных технологий при изучении лазеров. Во II главе представлена методическая разработка урока на тему «Лазеры».

Практическая  значимость исследования: результаты исследования могут быть полезны для студентов ФМФ, учащихся, углублённо изучающих физику.

Работа  включает 2 таблицы. В приложение включены следующие материалы: Задачи, которые могут быть использованы при изучении данной темы и примерные варианты теста для проверки знаний учащихся. 
 

ГЛАВА I. МЕТОДИКА  ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА "КВАНТОВАЯ ФИЗИКА"

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ

1.1 Значение и роль изучения квантовой физики в средней школе.

Квантовая механика - физическая теория, открывшая своеобразие свойств и закономерностей микромира, установившая способ описания состояния и движения микрочастиц. Методы квантовой механики находят широкое применение в квантовой электронике, в физике твердого тела, современной химии. Ее широко используют в физике высоких энергий, изучающей строение ядра атома и свойства элементарных частиц. Результаты исследования находят все большее применение в технике. Достаточно вспомнить успехи квантовой теории твердых тел, выводы которой положены в основу создания новых материалов с заранее заданными свойствами (магнитными, полупроводящими, сверхпроводящими и т. д.), квантовые генераторы, ядерные реакторы. Квантовая физика является более высокой ступенью познания, нежели классическая физика. Она установила ограниченность многих классических представлений.

Однако  введение основ квантовой физики в среднюю школу - сложная методическая задача. Малая наглядность квантовомеханических объектов (частица - волна), сложность  математического аппарата, необычность ее исходных идей и понятий создают методические трудности. Поэтому вопросы квантовой физики очень осторожно вводят в школьный курс.

Основные  познавательные задачи этого раздела - ознакомить учащихся со специфическими законами, действующими в области микромира, и завершить формирование представлений о строении вещества.

При изучении вопросов о световых квантах и  действиях света школьников впервые  знакомят с квантовой идеей. Они  узнают, что свет, который в явлениях интерференции и дифракции ведет себя как волна, представляет собой поток фотонов; энергия фотонов не может принимать произвольных значений, она дискретна, кратна некоторой постоянной величине h (постоянной Планка). Корпускулярные свойства света проявляются при взаимодействии света с веществом (в фотоэффекте, фотохимических реакциях и т.п.) тем ярче, чем больше энергия фотона. Важным доказательством существования частиц света (фотонов), обладающих определенным импульсом, энергией и массой, является эффект Комптона, изучение которого впервые в последние годы предусматривает школьная программа.

При изучении строения атома по Бору учащиеся узнают, что энергия электрона в атоме  также имеет дискретный характер, она квантуется. При изучении строения атома они узнают также, что дуализм свойств присущ не только фотонам (частицам) света, но и всем элементарным частицам – электрону, протону, нейтрону и др.

Объяснение  корпускулярно-волнового дуализма свойств частиц света и вещества знакомит их качественно (без изучения уравнения Шредингера) со своеобразием движения микрочастиц: поведение каждой элементарной частицы описывается вероятностными законами, для нее нельзя строго указать координату и импульс, лишено смысла понятие «траектория» и т.п. с вероятностными закономерностями, действующими в области микромира, учащиеся встречаются и при изучении законов радиоактивного распада: распад каждого атома – случайное явление, для которого можно указать лишь меру его вероятности, а одной из главных характеристик атома и любой элементарной частицы является среднее время их жизни. Так постепенно знакомят школьников со своеобразием законов, действующих в микромире: корпускулярно-волновым дуализмом свойств частиц, дискретным характером их состояний, дискретностью величин (на примере энергии), вероятностным характером законов.

Вторая  познавательная задача раздела –  раскрыть современные представления  о строении вещества. В базовом  курсе физики строение вещества рассматривали  в основном на молекулярном уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла  строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на качественном уровне). О строении атома школьники в базовом курсе физики получили лишь самые предварительные сведения, достаточные для понимания таких явлений, как электризация, электрический ток. В данном разделе учащихся знакомят со строением вещества на атомном и субатомном уровне. Вначале они изучают строение атома по Резерфорду – Бору, а затем, после обсуждения дуализма свойств микрочастиц, получают и современные представления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атома (его размеру, заряду, массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристиками и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении вещества и в передаче взаимодействий.

Раздел "Квантовая физика" решает, кроме  того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников знакомят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с примерами их использования в технике, физическими основами спектрального анализа, работой ядерного реактора  и применением ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном производстве, в науке, медицине.

В процессе преподавания этого раздела учитель  постоянно должен решать задачу формирования научного мировоззрения учащихся. Для  формирования научного мировоззрения  учащихся важно убедить их в реальном существовании таких непосредственно невоспринимаемых органами чувств объектов, как элементарные частицы. Реальность элементарных частиц доказывают тем, что можно экспериментально измерить их характеристики, предсказать, исходя из свойств частиц, различные ядерные реакции и превращения частиц и не только экспериментально осуществить теоретически предсказанные процессы, но и использовать их в практических целях. Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные частицы не являются "простыми", они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материальное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а подчинение всех ядерных процессов основным   законам   сохранения служит   хорошей   иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения.

В этом разделе продолжается формирование гносеологического аспекта мировоззрения. Здесь рассматривают такие важные мировоззренческие вопросы, как  роль идеальных моделей в процессе познания реальной действительности и пределы их применимости. Модельные представления используют при рассмотрении строения атома, ядра атома, при раскрытии механизма испускания света атомом, при объяснении деления ядер и т.п.

Как и  во всем курсе физики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо подчеркивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных фактов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену, модели атома Резерфорда пришла теория Бора, которая лучше согласовалась с экспериментальными фактами.

История развития учений о свете и о  строении атома позволяет проиллюстрировать  бесконечность процесса познания и  его диалектический характер. Соотношение между абсолютной и относительной истиной необходимо обсудить при ознакомлении учащихся с принципом соответствия. Квантовая физика является более глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет большой круг физических явлений, нежели классическая физика. Квантовая механика установила, что ряд представлений классической физики не являются абсолютными, они хороши лишь для макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полностью классическую. Она лишь ограничивает область ее применения. Законы классической механики и электродинамики для макротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях выводы квантовой физики совпадают с результатами классической. При больших квантовых числах дискретность "смазывается" и процесс становится квазинепрерывным.

Последний раздел школьного курса физики открывает  большие возможности для воспитания и развития учащихся. Для развития мышления учащихся в этом разделе  широко используют такие приемы, как  сравнение, систематизация и классификация. Например, полезно предложить им сравнить свойства жидкостей и ядра атома. Выявление общих для них свойств обеспечивает лучшее понимание школьниками капельной модели ядра. Сравнивать можно также свойства фотона со свойствами других элементарных частиц, свойства ядерных сил со свойствами гравитационных и электромагнитных сил. Результаты этих сравнений отражают в систематизирующих таблицах, обобщающих полученные учащимися знания по соответствующему вопросу. В конце изучения раздела целесообразно обобщить все полученные знания о строении вещества.

 Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности учащихся. Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить им на ее основе самостоятельно раскрыть состав ядер некоторых элементов, рассчитать для них дефект масс, энергию связи, удельную энергию связи и т. п. Оценочные расчеты различных параметров микромира, широко используемые в этом разделе, могут быть содержанием самостоятельной деятельности учащихся в школе и дома, а анализ полученных в них результатов - хорошая школа развития мышления учащихся. Этой же цели служит решение задач, которые в данном разделе носят по преимуществу тренировочный характер и требуют акцента на анализе полученных данных: полезно сопоставлять энергии связи ядер с энергией связи других систем, например молекул; кинетическую энергию α-частиц с энергией теплового движения молекул; плотность ядерного вещества с известными плотностями различных веществ и т. п. Результаты этого анализа позволяют выпускникам школ лучше понять порядок величин в микромире, осмыслить своеобразие микромира.

В развитие квантовой физики внесли свой вклад  многие выдающиеся отечественные и  зарубежные ученые: Э. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюри, М. Складовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, Э. Шредингер, И. Е. Тамм, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, О. Гаи, Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. В. Скобельцын, А. И. Алиханов, В. И. Векслер, И. В. Курчатов и многие другие. Изучение их жизни и деятельности представляет благодатный материал для патриотического и интернационального, а также нравственного воспитания учащихся.  

1.2 Особенности методики изучения раздела «Квантовая физика». 

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой в нем материала.

Квантовую физику изучают в конце школьного  курса физики, причем изучают на количественном уровне 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 и его ядра школьники получили самые первоначальные представления в базовом курсе физики и более полные – в курсе химии. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при 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. Пониманию и усвоению раздела способствуют оценочные расчеты, например, длин волн де Бройля, связанных с различными объектами, размера ядра, его плотности, энергии связи и т.п. Ныне, когда школы оснащены микрокалькуляторами и ЭВМ, эти расчеты не занимают много времени, а их результаты часто обладают большой убедительностью. 

Для повышения  качества усвоения материала очень  важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении атома, которые учащиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии.

Особенность содержания квантовой физики также  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 мышления, но и диалектическое мышление. Противоречия волна - частица, дискретность - непрерывность рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому  при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые имеют учащиеся, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в одних конкретных условиях - да, в других - нет). Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференции, дифракции) ведет себя как волна, в других - как поток частиц.

В процессе преподавания квантовой физики нецелесообразно  говорить о странности микромира, парадоксальности его законов. Это едва ли будет  способствовать усвоению материала, но может запутать учащихся. Раскрывая  своеобразие законов микромира, отличие их от законов классической физики, убеждают школьников в естественности этих различий. По этой же причине с историей становления квантовой механики учащихся лучше знакомить лишь после изучения этого раздела.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. Прежде всего необходимо проиллюстрировать фундаментальные опыты (опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц, опыты Франка и Герца и др.), а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т.п. при изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы «Фотоэффект», «Фотоэлементы и их применение», «Давление свойства», «Радиоактивность и атомное ядро», «Ядерная энергетика в мирных целях», кинофрагменты «Дискретность энергетических уровней атома (опыт Франка-Герца)», «Природа линейчатых спектров атомов водорода» и настенные таблицы. Очень большие возможности в данном соотношении открывает компьютерное моделирование. 

1.3 Использование современных компьютерных технологий при изучении лазеров в средней школе. 

Современный уровень развития информационных и  коммуникационных технологий способствует решению ряда важнейших методических задач, таких, как интенсификация уровня наглядности преподаваемого материала. Компьютерные технологии позволяют учащимся более глубоко изучить сложные для понимания физические явления, предоставляют широкие возможности по созданию, хранению и структурированию объемных баз данных (например, компьютерных слайдов или видеоматериалов), а также осуществить контроль полученных знаний с помощью компьютерного тестирования.

Одним из наиболее сложных для понимания  учащимися разделов физики является раздел «Лазеры». Развитие квантовой электроники привело к повсеместному внедрению лазерной техники в науке, промышленности и быту. Однако в школьном курсе физики данный раздел не изучается должным образом. Широкое распространение лазеров в повседневной жизни (лазерные принтеры, лазерные дальномеры, указки и т.д.) и отсутствие проработанной методики изучения данной темы в школе позволили сделать вывод о необходимости создания более полного курса для средней школы.

Введение  элективных курсов связано, прежде всего, с удовлетворением образовательных интересов, потребностей и склонностей каждого школьника. Именно они, по существу, и являются важнейшим средством построения индивидуальных образовательных программ, так как в наибольшей степени связаны с выбором каждым школьником содержания образования в зависимости от его интересов, способностей и последующих жизненных планов. Разработанный А.В.Ельцовым, И.А.Захаркиным, А.М.Шуйцевым и Р.В.Уфимским элективный курс рассчитан на 20 часов, он состоит из шести основных тем и включает в себя компьютерные динамические картины и слайды, видеоматериалы, компьютерные физичесике эксперименты, демонстрационные моделирующие программы, позволяющие дополнить физический экстперимент или заменить его при нехватке оборудования, электронный учебник для самостоятельной работы учащихся. Для самоконтроля учащихся разработаны компьютерные тесты по каждой теме элективного курса. Это позволяет учащимся контролировать уровень своих знаний, выявлять в них пробелы.

В содержание курса входит 6 разделов: структура  лазеров и их классификация, оптический резонатор, способы получения инверсной заселенности в различных средах, динамика процессов и свойства излучения лазеров, лазеры и нелинейная оптика, оптическая голография.

Разработаны компьютерные слайды по каждой из вышеперечисленных тем. Подготовлены видеоматериалы по применению лазеров (надпись даты выпуска минеральной воды на этикетке пластиковых бутылок, выжигание лазерным лучом гравюр на различных поверхностях, фильм о лазерном оборудовании для резки и сверления металлов компании IRON, применение лазерной техники в Вооруженных Силах, лазерная хирургия глаза).

Учитывая  сложность постановки опытов по лазерам, в дополнение к существующим опытам предлагается использовать компьютерные модели, позволяющие виртуально изучать  процессы, происходящие при работе лазера. Использование компьютерных динамических картин и программ различного типа предоставляет возможность увидеть в динамике протекание различных трудных для понимания физических явлений, положенных в основу работы лазера. 
 

Выводы по I главе

Одним из наиболее сложных для понимания  учащимися разделов физики является раздел «Лазеры». Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой в нем  материала. Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Последний раздел школьного курса физики открывает большие возможности для воспитания и развития учащихся. Для развития мышления учащихся в этом разделе широко используют такие приемы, как сравнение, систематизация и классификация.