Класична послідовність формування фізичних понять з розділу «Квантова фізика»

Квантова фізика - фізична теорія, що відкрила своєрідність властивостей і закономірностей мікросвіту. Методи квантової фізики знаходять широке застосування в квантовій електроніці, фізиці твердого тіла, сучасній хімії. Квантові властивості речовини широко використовують у фізиці високих енергій, яка вивчає будову ядра атома і властивості елементарних частинок, а результати дослідження знаходять широке застосування в техніці.

Квантова фізика є вищим ступенем пізнання, ніж класична фізика. Вона встановила обмеженість багатьох класичних уявлень. На сьогодні елементи квантової фізики введені в шкільний курс, інакше уявлення учнів про будову і властивості навколишнього світу були б неповними і неадекватними сучасному науковому знанню про них.

Однак введення основ квантової фізики в шкільний курс фізики середньої школи складана методична задача.

Зупинимось детальніше на класичній послідовності формування понять квантової фізики в школі. Під час вивчення теми «Квантова оптика» учнів вперше знайомлять з квантовою ідеєю. Вони дізнаються, що світло, яке в явищах інтерференції і дифракцію проявляє себе як хвиля, є потоком фотонів – частинок речовини. При цьому виникає досить суттєве утруднення, адже хвильовий процес неперервний, його фізичні характеристики можуть набувати будь-яких значень. Однак енергія фотонів не може приймати довільних значень, вона дискретна і кратна деякій постійній величині h (постійна Планка). Корпускулярні властивості світла виявляються при взаємодії світла з речовиною тим яскравіше, чим більше енергія фотона. Програмою ЗОШ на рівні С передбачено вивчення ефекту Комптона, який є важливим доказом існування частинок світла (фотонів), яким властивий імпульс, енергія і маса.

Вивчаючи будову атома учні дізнаються, що енергія електрона в атомі також має дискретний характер, вона кантується; дуалізм властивий не тільки фотонам (частинкам світла), але і всім елементарним частинкам електрону, протону, нейтрону тощо. Пояснення корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей частинок світла і речовини знайомить на якісному рівні (без вивчення рівняння Шредінгера) з своєрідністю руху мікрочастинок: поведінка кожної елементарної частинки описується імовірнісними законом, для неї не можна строго вказати координату і імпульс, позбавлено сенсу поняття «траєкторія» тощо. З імовірнісними закономірностями, які діють в області мікросвіту, учні знайомляться і при вивченні законів радіоактивного розпаду. Розпад кожного ядра атома - випадкове явище, для якого можна вказати лише міру його ймовірності, а однією з головних характеристик ядра атома і будь-якої елементарної частинки є середній час їх життя. Нижче наведена послідовність ознайомлення учнів з своєрідністю законів, які діють в мікросвіті: корпускулярно-хвильовим дуалізмом властивостей частинок, дискретний характер стану мікрочастинок, дискретність значень фізичних величин (на прикладі енергії), імовірнісний характер законів.

Вивчення уявлень про будову ядра згідно підручника для 11 класу з фізики в основному має історичну послідовність їх розвитку.Така структура навчального матеріалу не є оптимальною. Вона недостатньо сприяє систематизації та узагальненню знань учнів, ускладнює для вчителя можливість ознайомити учнів з новітніми досягненнями сучасної ядерної фізики.

Іншу послідовність вивчення навчального матеріалу цього розділу передбачають автори Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев: відкриття ядра атома і протона, перша гіпотеза про структуру атомного ядра (з історії вивчення атомного ядра); сучасні уявлення про атомне ядро (відкриття нейтрона, склад атомного ядра, ядерні сили); енергія зв'язку атомних ядер; ядерні реакції, явище радіоактивності.

Іншою є послідовність розгляду навчального матеріалу ядерної фізики у підручнику Коршак Є.В. Фізика, 11 кл: склад атомних ядер; ядерні сили та енергія зв'язку атомних ядер; радіоактивність і закон радіоактивного розпаду; радіоактивне випромінювання; ядерні реакції, поділ ядер атомів урану; ядерний реактор та ядерна енергетика; елементарні частинки. Зміст навчального матеріалу цих підручників відповідає програмі для 11-річної школи і забезпечення навчання на рівні А і В..

У програмі одинадцятирічної середньої школи з поглибленим вивченням фізики (рівень С) розділ «Квантова фізика» включає такі теми:

1. Світлові кванти. Дії світла.

2. Атомна фізика.

3. Фізика атомного ядра.

4. Фізика елементарних частинок.

За новою програмою для 12-річної школи окремо не виділяють розділ «Квантова фізика». Однак передбачено, що її елементи будуть вивчатися на якісному рівні уже в 9 класі в розділі „Атомне ядро. Ядерна енергетика”, більш детально вони розглядатимуться в старшій школі у розділах «Хвильова і квантова оптика»та «Атомна і ядерна фізика».

Вивчення цих розділів дозволяє розв’язати основні пізнавальні задачі. Ключовими тут є задачі – ознайомлення учнів із специфічними законами, які діють в області мікросвіту та завершення формування уявлень про будову речовини, розпочате на першому етапі вивчення фізики в основній школі.

Особливість змісту квантової фізики накладає відбиток на методику її вивчення. У цьому розділі учнів знайомлять з своєрідністю властивостей і закономірностей мікросвіту, які суперечать багатьом уявленням класичної фізики. Для глибокого засвоєння матеріалу учням окрім високого рівня абстрактного необхідне ще й діалектичне мислення. Суперечності хвиля - частинка, дискретність – неперервність, розглядаються з позицій діалектичного матеріалізму. Тому при вивченні цього розділу вчителю важливо спиратися на ті філософські знання, яких учні набули в курсі суспільствознавства, частіше нагадувати їм, що метафізичному зіставленню (або так, або немає) діалектика виставляє твердження: і так, і ні (у одних конкретних умовах - так, в інших - ні). Тому немає нічого дивовижного у тому, що світло в одних умовах (інтерференції, дифракція) поводиться як хвиля, в інших - як потік частинок.

Зазначимо, що традиційне вивчення розділів «Світлові кванти» та «Фізика атома та атомного ядра» має невисоку ефективність в силу певних об’єктивних та суб’єктивних обставин.

Квантову фізику вивчають на завершальному етапі навчання в школі у другому півріччі 11 класу, причому вивчають вперше. У жодному із попередніх розділів шкільного курсу фізики учні не зустрічалися з явищами прояву дуалізму властивостей частинок, речовини і поля, з дискретністю значення енергії, з властивостями ядра атома, з елементарними частинками. Проте первинні уявлення про будову атома учні отримали в курсі фізики основної школи, та доповнились в курсі хімії 9 класу. Внаслідок цього від вчителя вимагається так побудувати навчальний процес, щоб при первинному вивченні матеріалу добиватися його глибокого і міцного засвоєння учнями. Необхідно здійснювати продумані кроки з метою закріплення і застосування знань під час розв’язування задач, виконання лабораторних робіт, при роботі з дидактичним матеріалом тощо.

Для підвищення якості засвоєння матеріалу важливо опиратися на раніше набуті знання в попередніх розділах фізики. Наприклад, вивчення правил зміщення у випадку радіоактивного розпаду чи під час вивчення ядерних реакцій необхідно пригадати закони збереження маси та заряду. До початку розгляду будови атома доцільно повторити поняття доцентрового прискорення, закони динаміки Ньютона, закон Кулона, а також ті відомості про будову атома, які учні одержали на попередніх уроках фізики і хімії.

Наголосимо на тому, що певні труднощі вивчення обумовлені обмеженим демонстраційним та лабораторним експериментом. Це пов’язано з забороною використання в шкільних умовах радіоактивних препаратів та відсутністю або неналежним забезпеченням необхідного лабораторного обладнання. В зв’язку з цим учителю слід запропонувати учням низку різноманітних засобів наочності: від схем та таблиць до демонстрування кіно- та відеофільмів.

Поряд з цим існують труднощі при розв’язуванні питань наступності послідовності розміщення навчального матеріалу в самих темах та розділах, оскільки його засвоєння часто пов’язане з необхідністю оперування поняттями, які вивчаються дещо пізніше. Наприклад, під час розгляду досліду Резерфорда для встановлення ядерної моделі атома необхідно використовувати відомості про природну радіоактивність, яка може бути розглянута тільки на основі знань про будову ядра; відкриття нейтрона було зроблено в дослідах по штучній радіоактивності, а її можна розглядати тільки після вивчення складу ядра і умов його стійкості.

Суттєво, що суб’єктивні обставини неефективного вивчення питань відповідних розділів можна усунути за рахунок належної підготовки та кваліфікації учителя.

Що стосується об’єктивних причин, то їх можна виділити декілька.

Як уже зазначалось вивчення розділів «Світлові кванти» та «Фізика атома та атомного ядра» відбувається на завершальній стадії вивчення фізики, а це за програмою для 11-річного терміну навчання в другій половині останнього півріччя випускного класу. В цей час вся увага як учнів та учителів усіх дисциплін зосереджена саме на узагальнені та систематизації навчального матеріалу. В зв’язку з цим власне детальному вивченню даних розділів приділяється не достатньо уваги.

Наступна причина доповнює і підсилює попередню і пов’язана з необхідністю складання учнями державної підсумкової атестації (ДПА) з дисциплін, що пов’язано з подальшим вступом до вищих навчальних закладів освіти. В результаті підготовки до цього дійства в учнів виникає певна розбалансованість уваги до вивчення дисциплін, що не потребують таких випробувань. Пріоритетними завданнями на цьому етапі у них є успішне складання ДПА.

До вище перерахованих причин слід віднести ще одну. Значна частина учнів старшої школи паралельно з навчанням в школі проходять навчання на підготовчих курсах при різних вищих навчальних закладах. І саме в другій половині останнього півріччя ці учні складають пробне зовнішнє незалежне оцінювання, немає сумніву, що увага в даному випадку концентрується лише в певному напрямі й автоматично відбувається розсердження її під час вивчення інших дисциплін.

Наявність цих причин не залежить від учителя і відповідно він не в змозі їх усунути. У зв’язку з цим значна частина навчального матеріалу виноситься на самостійне вивчення, яке як правило в таких умовах не несе в собі великої користі для учнів.

Саме тому на наш погляд і варто з метою підвищення інтересу до вивчення фізики, збереження активності навчання та ефективності використання часу навчання фізики використовувати елементи дистанційних технологій. Вони забезпечують більшу інформативність, індивідуалізацію та диференціацію, так як дають можливість вивчати дисципліну в зручний для учня час, у прийнятному темпі, максимально візуалізувати матеріал, залучати різні аналізатори до процесу навчання, виконувати завдання, які йому під силу тощо.

Поиск по сайту: