Методика развития модельных представлений при изучении атомной физике в школе

Особенности изучения атомной физики

При определении содержания и методов изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений.

В процессе изучения атомной физики рассматриваются такие понятия как строение атома, протон, нейтрон, электрон, состав ядра атома, радиоактивность, деление ядер и многие другие понятия в зависимости от профиля школы. Все эти вопросы имеют очень большое значения, так как на их основе создается у учеников расширенное мировоззрение об окружающем нас мире.

По государственному общеобразовательному стандарту минимальный уровень усвоения знаний по атомной физике для базовых и профильных школ разделяют следующим образом:

Стандарт полного базового образования:

Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Лазеры. Модели строения атомного ядра. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерная энергетика. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы. Доза излучения. Закон радиоактивного распада и его статистический характер.

Стандарт полного профильного образования:

Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора и линейчатые спектры. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Дифракция электронов. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Спонтанное и вынужденное излучение света. Лазеры. Модели строения атомного ядра. Ядерные силы. Нуклонная модель ядра. Энергия связи ядра. Ядерные спектры. ядерные реакции. Цепная реакция деления ядер. Ядерная энергетика. термоядерный синтез. Радиоактивность. Дозиметрия. Закон радиоактивного распада.

Разница требований к выпускникам довольно ощутимая. В профильный минимум были включены такие темы как:

• -Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц;
• -Дифракция электронов;
• -Соотношение неопределенностей Гейзенберга;
• -Нуклонная модель ядра;
• -Ядерные спектры;
• -Термоядерный синтез;
• -Дозиметрия.

Однако многие учебники физики для базовых школ включают в себя некоторые вопросы для более углубленного изучения. Например:

В.А.Касьянов «Физика 11 класс» включает в себя понятия по атомной физике:

Строение атома. Постулаты Бора. Лазеры. Состав атомного ядра. Энергия связи. Синтез и деление ядер. Радиоактивность. Ядерная энергетика. термоядерный синтез. Ядерное оружие. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия.

Такие учебники повышают уровень знаний учащихся базовых школ.

Демонстрационный эксперимент должен являться основной составляющей экспериментального курса физики, как правило, все основные физические понятия должны демонстрироваться на опыте. Хороший демонстрационный опыт, проведенный во время теоретического изложения и отражающий физическое явление, позволяет преодолеть часто возникающий на начальной стадии обучения формальный подход к физике. Демонстрационные опыты, как известно, формируются на накопленных ранее предварительных представлений, которые к началу изучения физики далеки и у всех учащихся бывают одинаковыми и безупречными. На протяжении всего курса изучения физики эти опыты накопляют и расширяют кругозор учащихся. Они зарождают правильные начальные представления о новых физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами исследования, показывают устройство и действия некоторых новых приборов и установок, иллюстрируют практическое применение физических законов. Все это конкретизирует, делает более понятным и убедительным теоретическое изложение материала, возбуждает и поддерживает интерес к физике. Однако поставить реальную демонстрацию по атомной физике довольно-таки сложно по причины опасности проведения для здоровья человека.

Для обеспечения наглядности при изучении атомной физики широко применяют «материальные» модели, в которых рассматриваются не сами изучаемые явления, а их аналоги. Примером такой демонстрации может служить аналогия строения атомного ядра и беспорядочного расположения детей (в равных количествах мальчиков и девочек) в центральном круге баскетбольной площадки.

Мальчики будут олицетворять протоны, а девочки нейтроны. Если же попросить детей собраться в кучки мальчики с мальчиками, а девочки с девочками, тогда в сутолоке они начнут толкаться и строй вытянется в овал, что является аналогией деления ядер.

«Материальные» модели являются не плохой альтернативой для показа демонстраций. Однако главным минусов модельного эксперимента является то, что не ко всему можно сделать аналогию и механические модели искажают свойства микромира.

Для того, чтобы показать любой эксперимент по атомной физике во всей его полноте прибегают к компьютерному моделированию. С токи зрения преподавателя очевидное, лежащее на поверхности достоинство компьютерного моделирования заключается в возможности создавать впечатляющие и запоминающиеся зрительные образы. Такие наглядные образы способствуют пониманию изучаемого явления и запоминанию важных деталей в гораздо большей степени, нежели соответствующие математические уравнения. Моделирование позволяет придать наглядность абстрактным законам и концепциям, привлечь внимание учащихся к тонким деталям изучаемого явления, ускользающим при непосредственном наблюдении. Графическое отображение результатов моделирования на экране компьютера одновременно с анимацией изучаемого явления или процесса позволяет учащимся легко воспринимать большие объемы содержательной информации.

Чтобы сделать средство обучения наглядным, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления, т. е. превратить его в модель, правильно отразить в модели эти свойства и обеспечить доступность этой модели для учащихся. Особое внимание должно уделяться статистическим и динамическим моделям.

Динамическое компьютерное моделирование обладает большой достоверностью и убедительность, прекрасно передает динамику различных физических процессов. В настоящее время изменилось отношение к наглядности преподавания физики. Широкое распространение получили различные компьютерные модели, открывающие перед учителем много возможностей и перспектив в обучении физике. Их использование в комплексе с другими средствами наглядности повышают эффективность процесса обучения. Показателем эффективности компьютерных моделей является интеллектуальное развитие учащихся. Для повышения этого показателя необходимо соответствие предметного содержания урока целевому назначению динамической компьютерной модели.

Использование компьютерных технологий позволяет в условиях школы надежно воспроизводить физические явления и процессы, быстро и точно производить расчеты времени, многократно повторять эксперимент с разными исходными данными. Важным условием повышения эффективности наглядности обучения является активизация познавательной деятельности учащихся за счет увеличения объема самостоятельной работы при организации диалога ученика с компьютером.

На основании соответствия содержания учебного материала целевому назначению динамических компьютерных моделей выделяют несколько вариантов использования динамических компьютерных моделей при объяснении нового материала:

• 1. В теории, основанной на явлениях, для которых важно знать их механизм;
• 2. В теории, основанной на исторических опытах;
• 3. В теории по материалу повышенной трудности;
• 4. Для демонстрации применения изучаемого явления в жизни и технике;
• 5. Для построения графиков, необходимых для изучения нового материала.