РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ
      ИНСТИТУТ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ


                             На правах рукописи
                             УДК 37.О22: 53.О5



      Майер Роберт Валерьевич

      МЕТОДИКА УЧЕБНОГО ФУНДАМЕНТАЛЬНОГО 
      ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ВОЛНОВОЙ ФИЗИКЕ


      Специальность 13.ОО.О2 -
      Методика преподавания физики

      Диссертация
      на соискание ученой степени
      кандидата педагогических наук


                                Научные руководители -
                                кандидат педагогических наук
                                Г.Г.Никифоров,
                                доцент Майер В.В.



      Москва - 1995

                            - 2 -

                         СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................   4
Глава 1. Содержание и структура учебного фундамен-
         тального  эксперимента по волновой физике.......  13
      1. Современное состояние проблемы фундамен-
         тального  эксперимента в методике физики........  13
      2. Система учебного фундаментального экспе-
         римента.........................................  21
      3. Учебный  фундаментальный  эксперимент по
         волновой физике.................................  33
Глава 2. Формирование эмпирического базиса волновой
         физики средствами учебного фундаментально-
         го эксперимента со звуковыми волнами............  49
      1. Феноменологический эксперимент как доказа-
         тельство  существования  основных  явлений
         волновой физики.................................  5О
      2. Использование функционального эксперимента
         со звуковыми волнами для изучения основных
         закономерностей волновой физики.................  96
      3. Использование константного эксперимента
         при изучении методов измерения скорости
         света........................................... 153

                            - 3 -
Глава 3. Педагогический эксперимент по проверке
         гипотезы исследования........................... 166
      1. Планирование педагогического эксперимента....... 166
      2. Методика проведения и результаты констати-
         рующего эксперимента............................ 178
      3. Методика проведения и результаты обучающего
         эксперимента.................................... 191
Заключение............................................... 2О3
Литература............................................... 2О6
Приложения............................................... 223
Приложение 1. Таблицы результатов анализа методической
              литературы................................. 223  
Приложение 2. Учебные приборы для фундаментального
              эксперимента по волновой физике со 
              звуковыми волнами.......................... 227
Приложение 3. Результаты педагогического эксперимента.... 251

                            - 4 -



                          ВВЕДЕНИЕ

     Стремительное развитие  науки и техники, теснейшим образом
связанное  с общим  интеллектуальным  уровнем общества, требует
подъема  всей  системы  народного  образования на более высокий
уровень, использования новых, передовых  методов в учебном про-
цессе. Возросшее в условиях научно-технической революции значе-
ние физики, как науки о наиболее общих свойствах и законах дви-
жения  материи, без которой невозможны освоение  новой техники,
технологии, успешное решение производственных задач,требует по-
вышения качества  преподавания ее основ в средних учебных заве-
дениях.
     Известный педагог Ю.К.Бабанский, рассматривая закономерно-
сти эффективного  функционирования  учебно-воспитательного про-
цесса [6, 7], сформулировал принцип оптимизации обучения, кото-
рый "из ряда возможных вариантов учебного процесса требует осо-
знанного выбора такого варианта, который в данных условиях обе-
спечивает максимально возможную эффективность решения задач об-
разования,воспитания и развития школьников при рациональных за-
тратах времени и усилий  учителей и учащихся"[7, с.11]. Один из
способов  оптимизации образования состоит в "осознанном  выборе
педагогом наиболее  рациональных методов и средств обучения для
решения определенных учебно-воспитательных задач"[7, с.31].
     Принцип оптимизации требует обязательного и целенаправлен-
ного применения такого  эффективного метода обучения, как физи-
ческий  эксперимент. Теоретические  основы, а также  методика и

                            - 5 -
техника современного учебного  эксперимента подробно исследова-
ны такими известными методистами, как Л.И.Анциферов [3],О.Ф.Ка-
бардин [45, 46], И.М.Пищиков [4],С.А.Хорошавин [176, 177, 179],
Н.М.Шахмаев [184, 185, 187, 188], В.Ф.Шилов [189, 192], Т.Н.Ша-
мало  [181, 182], и другими. Изучение  места учебных физических
опытов в системе других  методов и средств обучения физике поз-
воляет выделить следующие задачи,реализуемые учителем при помо-
щи эксперимента:  формирование у учащихся чувственно-наглядного
образа  изучаемого  явления, понятия, зависимости; демонстрация
использования  изучаемых  явлений в практической  деятельности;
формирование практических умений в обращении с приборами; акти-
визация учебной деятельности учащихся; повышение интереса к фи-
зике; развитие творческих способностей учащихся; создание проб-
лемных ситуаций.
     Принцип оптимизации  обучения физике  требует  оптимизации
учебного физического эксперимента, заключающейся по мнению Л.И.
Анциферова [3, с.73 ] в создании  такой системы  учебных опытов
"которая способствует наиболее эффективному обучению физике при
рациональных затратах средств, времени и усилий учителей и уча-
щихся". Таким  образом, огромную важность представляет проблема
совершенствования техники и методики  учебного физического экс-
перимента, разработки  ограниченного числа учебных опытов, поз-
воляющих наиболее полно и убедительно обосновать теории изучае-
мого курса физики.
     На первый взгляд, проблема совершенствования техники учеб-
ного эксперимента, разработка  нового учебного  оборудования по
физике является чисто технической и далека от методики препода-
вания физики. Это не так: под  техникой проведения  физического
эксперимента понимают "средства и приемы, обеспечивающие эффек-

                             - 6 -
тивную постановку опыта", а его методика "выясняет, как с мини-
мальной затратой  времени на демонстрацию опыта и опорой на ди-
дактические  принципы добиться его максимального воздействия на
учащихся" [4, с.5]. Конструирование оригинального прибора, раз-
работка новой  системы  опытов связаны с решением  ряда проблем
методического плана, таких как анализ состояния  методики учеб-
ного эксперимента в данной области, выявление направлений и пу-
тей его дальнейшего развития, определение конкретных параметров
требуемых приборов, демонстрационных характеристик разрабатыва-
емых опытов, проведение пробного эксперимента, разработка мето-
дики теоретического и экспериментального  изучения явления, за-
кона, педагогический эксперимент, доказывающий возможность, не-
обходимость и целесообразность использования предложенной мето-
дики, ее преимущества перед известными.
     Актуальность исследования. Большой  интерес в плане изуче-
ния основных законов и явлений природы, формирования естествен-
но-научной картины мира, понимания процесса познания  представ-
ляет собой использование на уроке ключевых или  фундаментальных
физических экспериментов. Как указывает Н.Н.Иванова, "минуя ФНЭ
(фундаментальные научные эксперименты - Р.М.), нельзя достаточ-
но научно и логически непротиворечиво изложить в школьном курсе
физические теории,раскрыть их мировоззренческие и политехничес-
кие выводы" [42, с.47].
     Проблема  фундаментального  физического эксперимента и его
использования в учебном  процессе остается одной из важнейших в
методике преподавания физики. Исследованию этой проблемы посвя-
щены труды многих видных методистов, результаты которых,однако,
несколько противоречат друг другу. Противоречивость мнений раз-
ных авторов отчасти объясняется отсутствием критериев фундамен-

                            - 7 -
тальности физического эксперимента, определения его структуры и
содержания.
     Настоящее исследование ограничивается рассмотрением систе-
мы учебного  фундаментального  эксперимента по волновой физике,
- разделу физической науки, изучающему наиболее общие закономе-
рности волнового движения. С основами теории волн учащиеся зна-
комятся  при изучении  акустики (9 кл), электромагнитных и, как
частный случай, световых волн  (11 кл.) [138, с.5-39]. При этом
учитель и ученики встречаются с объективными трудностями, обус-
ловленными  сложностью  теоретического  материала и отсутствием
наглядных демонстраций ряда явлений и эффектов,например,распро-
странения, поглощения, дисперсии волн, явления Доплера, измере-
ния скорости света и т.д. Как показал проведенный  нами конста-
тирующий эксперимент, учащиеся даже физико-математических клас-
сов с трудом  узнают  волновые  явления в конкретных ситуациях,
уровень сформированности эмпирического базиса также сравнитель-
но невысок. Отметим, что в связи с развитием  техники, особенно
аналоговой и цифровой электроники, появляется реальная  возмож-
ность качественного и количественного  изучения целого ряда яв-
лений, по тем или иным причинам еще недавно  казавшихся  трудно
наблюдаемыми.
     Поэтому представляется  актуальным исследование содержания
и структуры учебного фундаментального  эксперимента по волновой
физике и разработка системы учебных опытов, обеспечивающих пол-
ное и убедительное подтверждение основных идей теории волн.
    Цель исследования. состоит в создании такой системы учебно-
го фундаментального эксперимента,которая позволяет сформировать
в сознании учащихся эмпирический базис волновой физики в наибо-
лее полном объеме.

                            - 8 -
     Объектом исследования является учебный физический экспери-
мент по волновой физике.  Предмет исследования - структура, со-
держание, методика и техника системы учебного  фундаментального
эксперимента по волновой физике со звуковыми волнами.
     Гипотеза исследования.
     Если разработать методику фундаментального эксперимента со
звуковыми волнами, включающую новые  учебные  опыты по распрост-
ранению волн,  измерению скорости,  явлению Доплера, интерферен-
ции, дисперсии, принципу Ферма,
     то  возможно создание  необходимой и целесообразной в учеб-
ном процессе  системы учебных  фундаментальных  экспериментов по
волновой физике,обеспечивающей формирование эмпирического базиса 
теории волнового движения,
     так как звуковые волны  позволяют провести эксперименталь-
ное изучение основных волновых явлений в наиболее полном объеме.
     В соответствии с указанными целью и гипотезой были постав-
лены следующие  задачи:
     1. Дать определение понятию учебного фундаментального экс-
перимента по физике. Построить  дидактическую модель эмпиричес-
кого базиса теории волн, выявить содержание и структуру учебно-
го фундаментального эксперимента по волновой физике.
     2. Усовершенствовать известную или разработать новую мето-
дику экспериментального изучения в опытах со звуком распростра-
нения,поглощения,дисперсии волн, явления Доплера, принципа Фер-
ма, метода измерения скорости переноса энергии волной.
     3. Доказать возможность создания системы учебного фундаме-
нтального эксперимента по волновой  физике, состоящей из опытов 
только со звуковыми  волнами и обеспечивающей изучение всех ос-
новных явлений теории волнового движения.

                            - 9 -
     4. Показать, что предложенная  система и методика учебного
фундаментального эксперимента  со звуковыми  волнами  позволяет
сформировать у учащихся эмпирический базис волновой физики,а ее 
использование в учебном процессе необходимо и целесообразно.
     Для решения  поставленных  задач использовались  следующие
теоретические  методы  исследования: изучение и анализ научной,
учебной и методической литературы по проблеме  фундаментального
физического эксперимента и теоретическим основам  учебного экс-
перимента, системный подход к проблеме  исследования, поэлемен-
тный анализ новой методики, моделирование эмпирического базиса,
разработка конкретной  методики проведения педагогического экс-
перимента, методы статистической обработки полученных результа-
тов. Кроме того применялись экспериментальные методы исследова-
ния: опытно-конструкторская работа  по созданию  новых  учебных
физических приборов и экспериментальных установок, изготовление
и исследование  макетных образцов нового учебного оборудования,
изучение и обобщение опыта  работы с предлагаемым оборудованием
преподавателей физики,личное экспериментальное обучение учащих-
ся физическому эксперименту и изготовлению приборов,педагогиче-
ский эксперимент по проверке  целесообразности  и необходимости 
использования предлагаемой методики.
      Методологической основой исследования  являются работы по
педагогике, методике преподавания физики, системному подходу.
     Исследование  проводилось с 1986 по 1994 г. Можно выделить
следующие этапы работы.
     Первый этап (1986 - 1987 гг.) связан с постановкой пробле-
мы использования учебных вариантов фундаментальных  эксперимен-
тов при изучении физики в школе. С целью определения научно-ме-

                             - 1О -
тодических  аспектов учебного физического эксперимента, уточне-
ния задач и целей исследования, изучались работы по педагогике,
физике и методике ее  преподавания. В этот период были разрабо-
таны не вошедшие в настоящую диссертацию  методики  эксперимен-
тального изучения брахистохронных и таутохронных свойств цикло-
иды [8О], явления электростатической  индукции [76, 77], искус-
ственной радуги [78].
     Второй этап (1988 - 199О гг.) исследования состоял в более
глубоком изучении критериев  фундаментальности физического экс-
перимента, разработке методики и техники учебных вариантов фун-
даментальных опытов по оптике и акустике. На базе студенческого
конструкторского бюро было разработано оборудование для качест-
венного и количественного изучения  явления Фарадея, акустичес-
кого эффекта Доплера [82, 85]. Предложены  методика использова-
ния в учебном процессе электронно-механического анализатора со-
стояния  поляризации  световой волны [81], а также лабораторная
работа по  диагностике  скрытых  электрических  цепей с помощью
авометра [121].
     Третий этап (1991 - 1992 гг.) связан с рассмотрением проб-
лемы экспериментального изучения основ волновой  физики с помо-
щью фундаментальных опытов со звуковыми  волнами. В этот период
были определены содержание и структура фундаментального физиче-
ского эксперимента по волновой физике, представленные в работах
[87, 88].
     В практическом  аспекте  были сконструированы и внедрены в
учебные процессы школ N 1, 11, 15, СПТУ N24 г.Глазова, Глазовс-
кого государственного  пединститута, Глазовского филиала Ижевс-
кого технического университета  комплект приборов для измерения 
малых промежутков времени по механике, измеритель скорости зву-  

                            - 11 -
ка импульсным  методом [83], а также  разработана установка для 
экспериментального определения зависимости скорости звука в во-
здухе от температуры [84]. Результаты  работы  были обсуждены в 
докладах "Методика изучения  акустического эффекта  Доплера" на 
Советско-Американской  конференции  преподавателей естественно-
научных дисциплин (Москва,1991г.), "Учебные  варианты фундамен-
тальных акустических экспериментов" на научно-методической кон-
ференции (Екатеринбург, 1992 г.).
     Четвертый этап (1993 - 1994 г.)состоял в разработке и про-
ведении педагогического эксперимента,оценивающего уровень сфор-
мированности  эмпирического базиса волновой физики у учащихся и
его прирост, обусловленный использованием предлагаемой методики
и техники фундаментального эксперимента по волновой физике. Пе-
дагогический эксперимент проводился в физико-математическом ли-
цее, школах N 1, 15 г.Глазова и в Глазовском педагогическом ин-
ституте.
     В этот период были опубликованы тезисы о лекционных демон-
страциях эффекта Доплера [92], дисперсии волн [9О], интерферен-
ции звуковых цугов [86], групповой скорости волны [89] и сдела-
ны доклады на научных  конференциях в городах Нижний Новгород и
Саранск. Разработан ряд лабораторных  работ по измерению  малых
промежутков  времени в опытах по механике и акустике, предложе-
ны оригинальные опыты по экспериментальному  изучению дисперсии
волн, принципа Ферма.
     Научная новизна состоит в том, что определены содержание и
структура  учебного фундаментального  эксперимента; разработаны
система учебных  фундаментальных  опытов  по волновой физике со 
звуковыми волнами,техника и методика их использования в учебном 
процессе; поставлена  задача оценки  уровня  сформированности у 

                            - 12 -
учащихся эмпирического  базиса волновой физики и предложен спо-
соб ее решения.
     Теоретическая значимость работы  заключается в обосновании
новой методики фундаментального эксперимента по волновой физике.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование в
реальном учебном процессе полученных результатов позволит повы-
сить эффективность обучения физике.
      На защиту выносятся:
     - определение, содержание и структура учебного фундамента-
льного эксперимента по волновой физике,
     - предлагаемая методика  экспериментального изучения явле-
ний распространения, поглощения, дисперсии, явления Доплера,ме-
тодов измерения групповой скорости волны и принципа Ферма,
     - система учебного фундаментального эксперимента по волно-
вой физике со звуковыми волнами,
     - методика оценки уровня сформированности у учащихся эмпи-
рического базиса волновой физики.


ВВЕРХ