ЭЛЕМЕНТЫ ИННОВАЦИЙ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ В ШКОЛЕ И ВУЗЕ

ЭЛЕМЕНТЫ ИННОВАЦИЙ В ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ В ШКОЛЕ И ВУЗЕ

Лигай М.А. д.п.н., профессор

Кафедра общей и теоретической физики

В современных условиях весьма прагматично настроенных устремлений молодежи, приведших к резкому спаду интереса ко всем естественным наукам, в особенности к фундаментальным и прикладным и как следствие к довольно ощутимому кадровому вакууму не только в индустриально-производственной среде, но и в других жизненно важных отраслях развивающейся экономики страны. Необходимость, актуальность решения проблемы подготовки и формирования компетентного кадрового потенциала страны, особенно инженерно-технических специальностей, очевидно. И также очевидно, что решение этой проблемы следует начинать с поднятия, хотя бы на прежний, доперестроечный, уровень познавательный интерес учащихся ко всем естественным наукам, и прежде всего к физике – основы всех инженерно-технических наук, и начинать со школьной скамьи.

Для развития интереса, в частности к физике, помимо социально- экономических перемен, необходимы новые инновационные подходы к обучению физике в школе и вузе [1,2,3].

Инновация (от англ. innovation – нововведение, новация) – это изменения внутри системы. Инновации – это и идеи, и процессы, и средства, и результаты, взятые в единстве качественного совершенствования педагогической системы.

“Инновационное обучение”- процесс и результат такой учебной и образовательной деятельности, которая стимулирует вносить инновационное изменение в существующую культуру, социальную среду, и связан с творческим поиском на основе имеющегося опыта и тем самым с его обогащением.

Инновационные подходы к обучению в настоящее время делятся на два основных типа:

- инновации-модернизации, ориентированные на высоко-эффективное репродуктивное обучение,

- инновации-трансформации, преобразующие традиционный учебный процесс, направленные на обеспечение исследовательского характера, ориентированные на поисковую учебно-познавательную деятельность.

Применительно к педагогической системе (ПС) можно выделить следующие главные направления инновационных преобразований: ПС в целом, учебные заведения, педагогическая теория, педагогические технологии, содержание, управление, цели, результаты и другие.

Таким образом, принятие и реализация новых образовательных ориентиров, инновационных подходов к образовании, предполагают эффективное развитие следующих тенденций:

- дифференциацию образования, большую вариативность, - индивидуализацию (по способностям),

- демократизацию, децентрализацию - предоставление учебным заведениям и педагогам работать по разнообразным программам и учебникам, в том числе и по своим,

- интеграцию образования, направленную на формирование у учащихся целостного представления об окружающем мире, развитие интегративного мышления и т.д.

Реализация инновационных подходов на конкретном предметном уровне нам представляется как вариативность и содержания, и методических приемов при обучении в частности, физике [4,5]. И как нам видится, сегодня одним из эффективных подходов по развитию и формированию познавательного интереса к фундаментальной науке физике является системная актуализация практической значимости изучаемых физических законов и явлений, для осознания учащимися их несомненной важности не только для всей цивилизации, но и для каждой личности в сфере их будущей профессиональной деятельности. И действительно, как показывает многолетний опыт обучения учащихся физике, познавательный интерес к физическим законам и явлениям существенно повышается при обосновании их важности в практической деятельности. В особенности, если делается акцент на связи этих законов со стратегическими задачами развития нашей страны. Это способствует также более глубокому и серьезному пониманию факта возрастающей востребованности специалистов с фундаментальным, естественнонаучным образованием в настоящем и в будущем, что ведет к формированию жизненных и профессиональных стратегий учащихся.

Рассмотрим несколько конкретных примеров инноваций в различных темах курса физики в школе и вузе.

1. Изучение закономерностей движения жидкости и газов, в теме:

«Механика жидкостей и газов» – актуализируется раскрытием значимости этой темы, обоснованием еѐ связи со стратегическим направлением развития нашей страны – нефтегазовой отраслью. Необходимость знания закономерностей движения жидкости и газа по трубам при их перекачке из нашей страны и через нашу страну мотивирует познавательный интерес к изучаемой теме, пониманию таких физических характеристик как вязкость, сила сопротивления, аэродинамический коэффициент, числа Re, критические значения: _крит., Re_крит. и др.

А как известно, знания и понимание – основа для развития умений использовать их при решении конкретных практических задач, например, оценить одну из слагаемых уравнения Бернулли – динамическое давление, соответствующее определенной критической скорости



_кр, при этом необходимо, прежде, определить возможные значения _кр , самому студенту выбрав исходные данные, близкие к реальным для нашей страны.

Формирование умений и навыков к самостоятельной, творческой деятельности одна из важнейших составляющих в системе обучения физике в школе и вузе.

2. Еще одна тема «Электрический ток в жидкостях» (в частности, электролиз, ^It

Z A

m F1 ), известная студентам из школьного курса физики всегда увязывается нами с бурно развивающейся металлургической промышленностью в нашей стране (Усть-Каменогорск, Жезказган, Темиртау), имеющей адекватно огромные ресурсные потенциалы.

Информация о громадных «электролитических ваннах», в которых благодаря электролизу получаются чистые металлы, и которые имел возможность видеть твой преподаватель, с большим интересом и любопытством воспринимаются студентами, поскольку и здесь акцент делается на то, что это очень практически важная составляющая развития нашей страны в настоящем и в будущем. Разумеется, мы подчеркиваем и то, что данная тема имеет множество других существенно важных направлений применения:

энергетика, экология, искусство, архитектура и т.д.

3. Понятие о вакууме и эффузионные процессы в сильно разряженных газах привлекают внимание студентов, когда обосновываешь их значимость и применение, например, для обогащения урана, по запасам которого мы занимаем четвертое место в мире и его реализация тоже важнейшая стратегическая составляющая экономики нашей страны – это во-первых.

Во-вторых, как еще одна мотивация интереса к изучаемой теме, нам представляется обоснованный акцент по применению вакуумных установок при решении чисто прагматических задач, например, в технологических процессах пищевой отрасли для упаковки продуктов, и как известно, сегодня вакуумные упаковки продуктов находят все более широкое распространение.

В-третьих, что представляет исключительную важность – это использование вакуумных технологий в медицине для создания необходимых термо-барометрических условий в лечебных барокамерах и др.

Далее следует отметить, что у многих студентов оказалось весьма примитивное представление о вакууме, что следовало из их ответов на лаконичный вопрос преподавателя: Что такой вакуум?

Научное определение понятия вакуум требовало знакомство с такими характеристиками движения газовых молекул, как эффективный диаметр d_эф, эффективное сечение

   d

эф² , длина свободного пробега

n d_эф 

 2

2 1

  и

других общих характеристик термодинамической системы, от которых зависит величина длины свободного пробега



. Таким образом, выстраивается цепочка мотивов, стимулов для изучения предлагаемой темы, в которой важной физической величиной оказывается длина свободного пробега газовых молекул.

Следующий вопрос: Какой закон, известный из школьного курса физики, может быть использован для измерений давления сильно разреженных газов? - предполагает активизацию мыслительной деятельности учащихся, стимулирование поисковой познавательной деятельности.

Не менее важны для развития творческого потенциала учащихся задания проблемного, и разумеется, поискового характера: определить уровень давления разреженного газа в мм.рт.ст. для различных значений



(исходные данные выбрать самому), какова при этом концентрация

n

молекул газа?

4. Явления переноса в газах: диффузия, вязкость, теплопроводность – это неотъемлемая среда нашего обитания, это процессы, сопровождающие жизнедеятельность нашего организма, это важные аспекты научных исследований не только естествознания, но и социальных наук, поскольку от этих явлений зависят возможности создания комфортности в социальной сфере – такая актуализация предстоящих к изучению физических явлений нам тоже представляется как мотив, стимул к осознанному изучению законов и уравнений, трактующих эти явления, напомним их.

- Уравнение диффузии (или закон Фика):

t x S

M  



 





 

^



3

1 S t

D x  



 

 

.

- Уравнение вязкости, определяющее силу внутреннего трения в жидкостях и газах (закон Ньютона):

t S

f _кв 



 

    3

1 S

x 



 

   _.

- Уравнение теплопроводности для газов (закон Фурье):

t x S

c T

Q _v  



 



  

3

1 S t

x T  



 

  _.

Как видно из уравнений все три коэффициента переноса (D,



,



₎

зависят от средней длины свободного пробега молекул



, поэтому для научных изысков важна возможность рассчитать



по известным D,, _и кроме того, зная плотность газа



вычислить диаметры молекул.

Как пример, раскрывающий внутри-предметные связи здесь можно предложить конкретную практическую задачу: оценить



для молекул азота атмосферного воздуха при нормальных условиях и определить диаметр d молекул азота.

Подобная мотивация познавательного интереса к рассматриваемым темам через ясное, понятное каждому студенту обоснование, раскрывающее еѐ значимость лично для каждого из студентов независимо от области его будущей профессиональной деятельности дают эффективные результаты.

5. В подобном ключе изучаются и множество других тем, например,

«Закон сохранения импульса – основа реактивного движения, уравнения Мещерского И.В., Циолковского Э.К.» с напоминанием, что мы –

«космическая держава» – с Байконура почти ежемесячно взлетают ракеты.

Освоение космоса и подготовка специалистов для успешной работы на космодроме Байконур – одно из стратегических направлений развития нашей

страны. Поэтому каждый образованный человек (а не только профессионал в этой области) должен знать принципы реактивного движения, законы, управляющие этим движением, оценку космических скоростей для разных планет и др.

Все указанные инновационные приемы дают положительный эффект, что подтверждается в процессе текущего и рубежного контроля знаний и умений студентов, когда почти каждый из первокурсников с легкостью записывая закономерности, находящиеся вне школьный программы по физике: C_либ.  f (Re);





d



Re _{; S}

dx F_mp  d 

Уравнения Мещерского и Циолковского:

отн Fв

dt dm dt

md  

; e ^отн m

m_{o }^



ясно и четко поясняет их смысл (содержание), назначение, демонстрируя понимание значимости этих и других законов физики для различных сфер научно-технической, производственной и другой деятельности любого современного общества и, естественно, для каждого из нас.

6. В обобщающей теме "Фундаментальные физические теории"

мотивация познавательной деятельности – это нововведение в содержание практических занятий, задания по расчету мировых "предельных" констант М.Планка – mp,



p _{, Tp} и др., подчеркивающих значимость для научных исследований фундаментальных постоянных природы



, с, h [6].

Представляем фрагменты содержания практического занятия:

"Фундаментальные физические теории и расчет Планковских констант"

Необходимые предварительные знания: Начало классической механики, молекулярно-кинетической теории и квантовой физике.

Теоретическая часть

По современным естественнонаучным воззрениям все объекты природы и сама природа в целом (т.е. Вселенная) подчиняются единым принципам эволюции. Это отражается в так называемых мировых (универсальных) константах, входящих в математические формулы законов природы. Комбинирование универсальных констант, т.е. объединение их в более сложные математические соотношения - один из путей углубленного познания природы. Такое комбинирование устанавливает взаимоотношения между различными фундаментальными законами. Например, между гравитацией и электромагнетизмом, относительностью и внутриядерными процессами и т.д.

Один из наиболее эффективных и перспективных подходов в

«конструировании констант» получил название планковского по имени ученого М. Планка, впервые применившего его в 1900 г. в теоретических расчетах квантов (т.е. минимальных порций) энергии элементарных частиц.

Планковские константы, изучаемые в данной работе, как предполагают ученые, определяют границы применимости физической теории к явлениям

объективного мира. Опытная проверка такого предположения является делом будущего.

Ход выполнения работы

1. Повторить фундаментальные физические законы: 2

r F 



mM _, mc2

E  ,

  h 

.

2. Вывести размерности постоянных: Планка, гравитационной и скорости света в вакууме в системе измерений СИ и записать их значения в этой системе с точностью до трех значащих цифр.

Ответ:

  ^h

= Джс;

  

= _{2 2}

2

кг м Дж кг

м

Н 

 

;

 

с c  м .

h = 6,6310^34Дж∙ с; ₂

2

10 11

67 ,

6 кг

м H



 ^

 _;

с с3,0010⁸ м.

Отметим, что современное опытное значение скорости света:

с = 2,997025·10⁸ м\с

3. Выведите соотношение между тремя вышеуказанными константами и планковской массой и рассчитайте значение последней.

Решение: h  E_p t_p F_p l_p t_p; ₂ ;

2

p p p

m l F 

 

p p p

l t h m 



2

 ^;

p p

t

C  l ; 

с

m_p  h ; m_p 5,4610^8кг.

Примечание. Индексом «р» здесь и далее отмечены планковские величины.

По современным научным представлениям m_p - максимально

возможная масса элементарной частицы.

4. Найти значение планковской длины с примнеением «второго закона Ньютона»: F_pt_p  m_pc_.

Ответ:

По современным научным представлениям

l

p определяет квант пространства. Экспериментальная физика пока в состоянии уверенно исследовать материальные процессы в пределах расстояний не менее, чем 10^-15-10^-18м.

5. Определить значение планковской плотности (вещества).

Решение: Используя расчетные знания максимальной массы и минимального объема, получим:

6 ; 1 ₃

min lp

V 



3 96 min

10 57 ,

1 м

кг V

m_p

p   

 _.

Для сравнения: плотность Земли (в среднем)5,510³кг/м³.

C м h C

m l h

p p

35 3 4,0510^



 

Плотность ядерного вещества: ^~1017 ₃^. м

кг

яд

Максимальная из известных плотностей - для нейтронной звезды – составляет ~10¹⁸ ₃.

м

 кг

Аналогичным образом определяются и планковское время t_p 1.3510^43c , и температура T_p ^2.37¹⁰³²К, и сила F_p 1.2110⁴⁴H , и энергия

109

9 . 4 

p 

E _Дж.

В заключении отметим, что полученные выше формулы и соответствующие числовые значения планковских констант, несмотря на

«школьный» способ их выведения и явно недостаточную строгость подхода, практически не отличаются от полученных в теоретической физике с использованием там самых современных научных концепций. Различие состоит в том, что в «серьезных » формулах вместо h используется 2

 h

 _-

так называемая приведенная постоянная Планка, или постоянная Дирака:

. 10

06 ,

1  ³⁴Джс

 ^



Замена h на  объясняется только соображениями рационализации, но не научной строгости. Числовые же отличия в соответствующих планковских константах составляют менее порядка величины (объясните – почему?), да и не для всех из них.

И здесь же, согласимся с Луи де Бройлем: "Таинственная постоянная

h

- великое открытие Макса Планка", понимая, что именно с гипотез М.Планка началось зарождение новой современной физики – физики микромира, квантовой (волновой) механики, раскрывавшей, в свое время, перед учеными невообразимую, фантастическую картину мироздания.

Список использованной литературы

1. Государственная программа развития образования в РК на 2005- 2010гг.//Образование в Республике Казахстан №1, Астана, 2008 – С.206-208

2. Концепция развития образования Республики Казахстан до 2015 года // Педагогический вестник, 2003, №12.

3. Лигай М.А, Морзабаева Р.Б., Магжанова К.О. Инновационная политика РК в области образования как программа инновационной деятельности педагогов физиков. // Материалы международной конференции.

Кокшетауский гос.университет, 2006. -С.245-249.

4. Лигай М.А, Ермекова Ж.К., Балашова Н.В. Новые педагогические технологии как средство реализации инновационных подходов в образовании //Вестник ЕАГИ №1, 2006. –С.196-199.

5. Лигай М.А, Ермекова Ж.К. Инновационные подходы к обучению и некоторые формы контроля знаний //Материалы 6-ой научно- методической конференции. Астана, ЕНУ -2005. -С.180-182.

6. Липовко П.О. Практикум по естествознанию. Ростов, н/Д-"Феникс" - 2001. -С.184-189.