Лекция Классификация технологий обучения. Технология раннего интенсивного всестороннего развития

Вид материала

Содержание

Компонент требований
Виды учебной деятельности
Качественные характеристики
Дидактические принципы построения системы Занкова
Уравнения Максвелла
Формула силы Лоренца
Второе уравнение
Третье уравнение
Четвертое уравнение Максвелла
Характеристики технологии темы «Электромагнитная индукция»
Способы учебных действий: проблема, теоретическое доказательство закона, выводы, анализ способов получения индукционного тока и
Уравнения Максвелла

Подобный материал:

Лекция 2. Классификация технологий обучения.

Технология раннего интенсивного всестороннего развития

§1. Классификация технологий

обучения на основе ключевых компетентностей

Под технологией обучения понимают упорядоченную совокупность научных знаний, познавательных действий, методов обучения обеспечивающих прогнозированный и диагностируемый результат в условиях образовательного процесса. Существуют разные классификации технологий обучения. Мы попытаемся классифицировать и систематизировать применяющиеся технологии обучения физике, взяв за основу цели современного образования и планируемые результаты обучения.

Вы знаете, что результаты обучения во многом определяются целями образования, которые меняются в связи с развитием общества, социальных запросов и уровнем экономической базы страны. Главная цель современного образования - становление и развитие личности обучаемого, его познавательных способностей, формирование обобщенных универсальных знаний и способов учебных действий, опора на субъективный опыт обучаемого.

Поскольку ожидаемый результат ориентирован на развитие таких качественных характеристик личности, как информированность, грамотность и компетентность, условно назовём классификацию - «классификация технологий обучения на основе ключевых компетентностей». Чтобы изучить технологии такой классификации, требуется сначала ответить на ряд вопросов: «Каковы современные требования к планируемым результатам обучения? Каковы качественные характеристики личности? Чем различаются понятия компетенции и компетентность? Какие компетентности являются ключевыми?»

По оценке современных отечественных и зарубежных специалистов, в последнее время усилено внимание к формированию интеллектуальных умений (анализ и синтез, обобщение и дифференциация, абстрагирование и конкретизация, сравнение и аналогия, установление причинно-следственных связей). Они в комплексе с практическими умениями составляют базу компетентности школьника. По их мнению, оценить эти умения достаточно проблематично, поэтому создаются современные многомерные модели оценки результатов с использованием тестового инструментария. Например, имеется трехмерная модель с такими компонентами: «содержание + техника измерения + планируемый уровень деятельности». Одним из примеров разработки современной модели структуры познавательной деятельности является СОЛО -такcономия (Structure of the Observed Learning Outcomes), известная с 1982 г. и сравнима по своей значимости с таксономией Блюма.

В начале 50-х годов прошлого столетии группой американских психологов и педагогов под руководством Б.Блюма была разработана таксономия (классификация) целей, получившая название таксономии Блюма. Она построена на следующих принципах: практической направленности, психологическом, логическом и объективности. Они базируются на теории целеполагания, достижениях психологической науки, а также законах логики.

Б.Блюмом выделено шесть основных категорий целей, представленных в виде иерархии (последовательности, очередности в определенной структуре). Эти категории следующие: знание, понимание, применение, анализ, синтез, оценка. В таблице 1 приведен один из вариантов таксономии Б. Блюма, адаптированный к преподаванию физики. Каждая из категорий предполагает достижение учебных целей по всем предшествующим категориям.

Таблица1

Основные категории учебных целей	Примеры обобщенных типов учебных целей
1. Знание	Ученик
Данная категория обозначает запоминание и воспроизведение изученного материала, начиная от конкретных фактов до теорий.	Воспроизводит конкретные факты, методы, процедуры, правила, определения.
2. Понимание	Ученик
Показателем понимания изученного служит преобразование, трансляция знаний из одной формы в другую, интерпретация материала, предположение о возможных последствиях	Преобразует формулы, интерпретирует наблюдаемые факты, законы и теории, а также схемы, графики, диаграммы
3. Применение	Ученик
Применение изученного материала в конкретных и новых ситуациях	Применяет понятия, законы, правила, методы, принципы, теории в конкретных условиях

4. Анализ	Ученик
Вычленение частей целого, выявление взаимосвязей между ними, понимание принципов организации целого	Выделяет главное в содержании. Выявляет и устраняет свои ошибки при изучении материала, проводит различия между фактами, законами и следствиями.
5.Синтез	Ученик
Получение целого из отдельных элементов, обладающее новизной в форме сообщения, плана действия, совокупности обобщенных связей	Выполняет действия творческого характера, применяя новые схемы и структуры, предлагает план проведения эксперимента
6. Оценка	Ученик
Оценка значения учебного материала на основании четких критериев: структурно-логических (внутренних), соответствовать определенным целям. Критерии могут определяться самим учеником или задаваться ему извне.	Определяет соответствие выводов имеющимся данным по определенным критериям, значимость результата деятельности исхода из внешних критериев, оценивает логику изложения материала

Таксономия Блюма, неоднократно подвергалась критике отечественных ученых за «смещения конкретных результатов обучения». В частности отмечается, что таксономия Блюма содержит шесть категорий целей: знание, понимание, применение, анализ, синтез, оценка. Первая группа целей (знание, понимание, применение) выражает конкретные результаты обучения. Вторая группа категорий (анализ, синтез, оценка) представляет собой мыслительные операции.

Основу отечественных государственных стандартов составляют разработки российских специалистов. Требования к подготовке учащихся и соответствующие измерители качества образования базируются на системном подходе к описанию достижений и группируются в зависимости от уровней учебной деятельности.

В таблице 2 представлены компоненты требований к уровню подготовки учащихся, описание компонентов и уровней требований. Эту таблицу можно рассматривать как матрицу теоретического обоснования требований к уровню подготовки учащихся.

Таблица 2

^ Компонент требований	Описание компонента	Уровни усвоения и примеры
Система знаний и умений: законы, понятия, определенные умения и навыки	1) Описание объектов изучения. 2) Объяснение (раскрытие сущности объекта). 3) Преобразование действительности (умение применять усвоенные знания в реальной жизни).	1. Запоминание и воспроизведение изученного материала различной сложности. 2. Применение знаний в знакомой или измененной ситуации по образцу. 3. Применение знаний в незнакомой ситуации, т.е. творчески.
^ Виды учебной деятельности	1) Репродуктивный уровень (восприятие, осмысление). 2) Продуктивный (применение знаний по образцу, решение типовых задач). 3) Творческий (применение знаний в новой ситуации).	1. Показывать (опознавать), называть, распознавать, давать определения. 2. Определять (вычислять), характеризовать, соотносить. 3. Составить отчет на проблемный вопрос, высказывать суждения, выделить существенные признаки.
^ Качественные характеристики	1) Предметно-содержаельный уровень (полнота и системность сформированных знаний) 2) Содержательно-деятельностный (прочность и действенность знаний учащихся). 3) Содержательно-личностныйый (самостоятельность и оперативность при применении).	1. Информативность (ориентированность) – освоение определенного объема знаний и умение воспроизводить их. 2. Грамотность – способность решать стандартные повседневные задачи. 3.Компетентность – способность решать проблемы, возникающие в окружающей действительности, средствами предмета.

В отечественной педагогике выделяют три главных компонента требований подготовки учащихся: система знаний и умений, виды учебной деятельности, качественные характеристики личности (см. первую колонку таблицы). Все они взаимосвязаны. Действительно, эта связь четко проявляется в содержании образования, которое включает научные знания и умения пользоваться этими знаниями как способами деятельности; опыт творческой деятельности; опыт эмоционально-ценностного отношения к миру, людям и себе.

Чтобы подчеркнуть особенность каждого компонента, важно сопоставить его с этапами формирования научных знания. Известно, что таких этапов три: описание фактов, раскрытие сущности, применение знаний и умений в реальной жизни. Результаты каждого этапа учебного процесса можно рассматривать как планируемые уровни достижения. Поэтому каждый компонент требований подготовки учащихся можно представить на трех уровнях ( см. вторую колонку таблицы).

Компонент требований «система знаний и умений» представлен в общем виде применительно к любому учебному предмету на трех уровнях. В таблице (см. третью колонку) приведены уровни содержания образования и конкретные примеры требований, которые используются при контроле знаний и умений по физике. Первый уровень: запоминание и воспроизведение изученного материала различной сложности. Второй уровень: применение знаний в знакомой или измененной ситуации по образцу; выполнение действий с четко обозначенными правилами; применение знаний на основе обобщенного алгоритма (схемы). Третий уровень: применение знаний в незнакомой ситуации, т.е. творческий; применение в качестве ориентира какой-либо обобщенной идеи, методологических знаний.

По функциональному описанию в педагогике учебную деятельность подразделяют на три вида. Первый вид - специальные (предметные) умения, которые формируются в процессе изучения конкретного учебного материала. Второй вид - умения рациональной учебной деятельности (планирование учебной работы, её рациональная организация, контроль выполнения). Третий вид - интеллектуальные умения.

Соответственно определены требования к действиям учащихся на трех уровнях достижения. Согласно первому уровню, от учащихся требуется показать (опознавать), назвать, распознать, дать определения, пересказать. Согласно второму уровню требуется от школьника определить (вычислить), охарактеризовать, соотнести, объяснить, сравнить, сопоставить что-то по готовой схеме, измерить, соблюдая правила. Третий уровень включает следующие требования: составлять устный или письменный отчет на проблемный вопрос, высказывать суждения, выделять существенные признаки, проанализировать информацию, написать сочинение, дать отзыв или рецензию, приводить и обосновывать собственные примеры и оценки, искать необходимую информацию и т.д.

Качественная характеристика требований включает в себя предыдущие характеристики и отражает особенности каждого предмета. Качественную характеристику описывают следующими уровнями: предметно-содержательный уровень (полнота и системность сформированных уровней); содержательно-деятельностный (прочность и действенность знаний учащихся); содержательно-личностный (самостоятельность и оперативность при применении). Качественные характеристики используются при итоговом контроле в виде уровней учебных достижений. Перечислим эти уровни.

Первый уровень требований - информативность (ориентированность), т.е. освоение определенного объема знаний и умение воспроизводить их.

Второй уровень – грамотность, т.е. способность решать стандартные повседневные задачи, использовать основные способы познавательной деятельности на основе предметных знаний и умений.

Третий уровень - компетентность – способность решать проблемы, возникающие в окружающей действительности, средствами предмета. Примерами могут служить следующие компетенции:

- способность распознавать проблемы, возникающие в окружающей действительности, которые могут быть решены средствами данного предмета;

- умение формулировать эти проблемы на языке физики;

- умение интерпретировать полученные результаты с помощью поставленной проблемы;

- умение формулировать и записывать окончательные результаты решения поставленной проблемы.

Стандарты образования в России находятся лишь в стадии формирования и развития. Первые опыты разработки стандартов отечественной системы образования показали, что они во многом ориентируются не на ожидаемый результат деятельности, а на содержание программ обучения. Опыт зарубежных стран свидетельствует, что содержание учебных программ и ожидаемые результаты обучения должны быть разведены по форме выражения и времени (этапам) обучения. В настоящее время уровни учебных достижений описываются через понятия, существенно отличающиеся от содержания конкретных курсов. Введены новые термины для описания уровней достижений: информативность, грамотность, компетентность.

Высшим уровнем достижения по физике – это формирование ключевых компетентностей учащихся. Исследования в области ключевых компетентностей в России крайне ограничены. Однако определены ключевые компетентности, которыми должен владеть ученик по физике. Выделены три группы ключевых компетентностей:

- познавательная,

- информационная,

- коммуникативная.

Выделяется три уровня сформированности определённой компетентности у школьника: низкий (обязательный), средний (уровень возможностей), продвинутый (творческий). Каждому из уровней могут быть поставлены в соответствие определённый набор способов действия учащихся и методические приёмы организации исследовательской или конструкторской деятельности.

Таблица 3

Уровень	Сформированные способы деятельности
Низкий (обязательный)	Общая ориентировка ученика в способах деятельности. Знание того, где основная информация может находиться. Репродуктивное воспроизведение обобщённых учебных умений по известным алгоритмам. «Узнавание» новой проблемы, возникшей в знакомой ситуации. Наличие и принятие помощи извне.
Средний (уровень возможности)	Умение искать недостающую информацию для решения поставленной проблемы в различных источниках и работать с нею. Умение решать некоторые практические задания в знакомых ситуациях. Попытка переноса имеющихся знаний, умений, способов деятельности в новую ситуацию. Готовность оказать посильную помощь другим участникам совместной деятельности. Минимальная помощь извне.
Продвинутый (творческий)	Умение прогнозировать возможные затруднения и проблемы на пути поисков решений. Умение проектировать сложные процессы. Умелый перенос имеющихся знаний, умений и способов деятельности в новую незнакомую ситуацию. Отсутствие помощи извне. Оказание помощи другим участникам совместной деятельности. Умение отрефлексировать свои действия.

В практике используются кроме термина компетентность, как активно освоенные и применяемые обобщённые способы деятельности, так и термин компетенция. Она имеет другой смысл. Компетенция – это прописанная на

бумаге, электронных носителях способы деятельности, которые предлагаются для освоения личностью. В связи с этим меняются требования к учебникам физики, соответственно к уроку. Важно, чтобы методика и технология обучения были ориентированы на формирование компетентностей разного уровня.

Компетентности тесно взаимосвязаны между собой. Однако результаты исследования учебного процесса по физике показывают, что на различных этапах обучения преобладают технологии формирования той или иной компетенции. Соответственно можно выделить следующие группы технологий обучения физике: технологии развития когнитивных (познавательных) сфер личности, информационные технологии и технологии развития коммуникативных сфер личности

Рассмотрим варианты методик и технологий обучения физике ориентированные на ключевые компетентности. Сначала рассмотрим особенности технологий формирования познавательных компетентностей. Каждая технология имеет методическую и психологическую базу. Так, система развивающего обучения Л.В.Занкова можно характеризовать как технологию интенсивного всестороннего развития личности школьника.

§2. Система Занкова – психологический фундамент технологии раннего интенсивного всестороннего развития ученика

Система обучения Л.В. Занкова является одной из первых систем развивающего обучения в нашей стране. Она направлена на обучение быстрыми темпами, на максимальный уровень сложности в зоне ближайшего развития. Обучение по системе Л.В. Занкова ведётся в начальной школе с середины прошлого века по настоящее время. Иногда его систему рассматривают как технологию раннего интенсивного развития личности школьника.

Известно, что изучение физики в средней школе проводится в три этапа: пропедевтическом, систематическом изучении курса физики и профильном в старших классах. Пропедевтический этап соответствует обучению в начальной школе и в 5-6 классах в рамках интегрированных курсов – окружающего мира, природоведения, естествознания, а также факультативных и элективных курсов. Последующие этапы – изучение физики на первой и второй ступенях обучения в качестве самостоятельного предмета. Он дополняется элективными, факультативными курсами, а также курсами по выбору, углубляющие и развивающие достижения учащихся.

На всех этапах обучения используются развивающая система Занкова. В её основе лежат идеи представленные в таблице 1.

Таблица 4

^ Дидактические принципы построения системы Занкова

Основные идеи системы Занкова

Целенаправленное развитие на основе комплексной развивающей системы

Системность и высокая сложность содержания, адекватные зоне ближайшего развития.

Ведущая роль теоретических знаний.

Обучение на высоком уровне трудности.

Продвижение в изучении материала быстрыми темпами.

Осознание школьником процесса учения (принцип сознательности, обращённый на свою деятельность).

Принцип единства аффекта и интеллекта, включение в процесс обучения не только рациональной, но и эмоциональной сферы (роль наблюдения и практических работ).

Проблематизация содержания,

Вариативность процесса обучения, индивидуальный подход.

Работа над развитием всех (сильных и слабых) учеников.

Обучение должно идти впереди развития.

Ученик – субъект, а не объект учебно-воспитательного процесса.

Целью обучения являются способы учебной деятельности, а не знания, умения и навыки.

Развитие – это появление новообразований в психике ребёнка, не заданных на прямую обучением, а возникающие в результате внутренних глубинных интеграционных процессов.

Общим развитием является появление данных новообразований во всех сферах психики – ума, воли, чувств учащихся. Отдельные новообразования, взаимодействуя между собой, продвигают личность в целом.

Основа гармонического развития человека закладывается исключительно общим развитием.

С помощью познавательных (когнитивных) структур человек воспринимает окружающий мир.

Процесс рождения нового качества личности – это создание из простых диффузных структур более сложные, что и является развитием.

Развитие – это появление новообразований в психике ребёнка, не заданных на прямую с обучением, а возникающие в результате внутренних глубинных интеграционных процессов. Общим развитием является появление данных новообразований во всех сферах психики – ума, воли, чувств учащихся. Отдельные новообразования, взаимодействуя между собой, продвигают личность в целом.

Система Л.В. Занкова опирается на психологическое понятие когнитивных (познавательных) структур – схем, с помощью которых человек воспринимает окружающий мир, отдавая предпочтение не навыкам, знаниям и умениям, а их возникновению. Именно когнитивные структуры становятся субстратом умственного развития. Они представляют собой достаточно устойчивые, компактные, обобщённо-смысловые системные представления знаний, а также способов их получения и использования, которые хранятся в долговременной памяти. С возрастом и в процессе обучения происходит развитие именно этой сущности – когнитивных структур. Как результат это наблюдается в особенностях психической деятельности: мышлении, речи, уровне произвольности поведения, памяти, в количестве и чёткости знаний, умений. Процесс рождения нового качества, когда каждый раз из простых (диффузных структур создаются более сложные), по существу и является развитием.

В соответствии с данной системой развития построение программы обучения выполняется в виде разделения целого на части, ступени, появление различий в процессе развёртывания содержания дисциплины. Важным становится отработка понятий, отношений, связей внутри учебного предмета.

Отработке по точному разделению свойств изучаемых объектов и явлений отдаются главенствующие позиции. Разделение происходит согласно принципу системности и целостности: каждый элемент должен быть усвоен в связи с другим и внутри определённого целого.

Сторонники системы Л.В.Занкова считают, что формирование понятий, соответствующих способов мышления и деятельности целесообразно проводить индуктивным путём, при этом полного отказа от дедуктивного подхода не происходит.

Главное на чём должно быть сконцентрировано внимание – это деятельность анализирующего наблюдателя, способность к выделению разных сторон и свойств явлений, а также их точному выражению.

Возможность, за счёт качественного проведённого сравнения, установить, в чём явления имеют сходства и в чём различия. Познавательный интерес – вот та основа мотивации учебной деятельности, которая используется в данной системе. Её методика подчинена идеи гармонизации. Она должна сочетать в себе рациональное и эмоциональное, факты и обобщения, коллективное и индивидуальное, информационное и проблемное, объяснительный и поисковый методы.

В системе Л.В.Занкова функции и формы организации урока, который остаётся основным элементом образовательного процесса, могут меняться. Подчинение его цели не только освоению знаний, но и формированию других свойств личности. Использование самостоятельной и коллективной мыслительной деятельности, сотрудничество учителя и ученика.

Какими средствами достигается главная методическая цель урока- создание условий для проведения познавательной активности учащихся?

- Организация хода познания от учеников. Учителем создается план урока вместе с учеником, в совместном обсуждении. Примером такой формы деятельности является урок на тему « Архимедова сила. Закон Архимеда», с конспектом которого вы работаете на методическом практикуме.

- Преобразующий характер деятельности. Они проводят наблюдения, сравнения, формулируют гипотезу, измеряют величины, делают выводы. Благодаря, например, проведению лабораторных работ, меняется характер работы на уроке. Учащиеся используют определённую схему выполнения, осуществляют мыслительные действия, их планирование.

- Интенсивная самостоятельная работа. Создание проблемной ситуации добавляет эмоциональные ситуации, вносит эффект неожиданности, активизирует механизм творчества ( не без помощи и поощрения учителя).

- Коллективный поиск – создание на уровне педагогического общения Это даёт возможность любому учащемуся брать на себя инициативу, демонстрировать свою самостоятельность, а также создать обстановку для естественного самовыражения.

- Гибкая структура урока. Общие цели и средства обучения в данной технологии конкретизируются учителем в зависимости от назначения урока и его тематического содержания. Учитель использует все разнообразие форм и методов, которое позволяет раскрыть субъективный опыт учащихся.

§ 3. Структура раздела «Электродинамика» в стратегии технологии интенсивного всестороннего развития личности ученика

Во всех современных курсах физики разделу, посвященному изучению основ электродинамики, отводится значительное место ( около 30% учебного времени). С электродинамикой учащиеся знакомятся и в основной школе и в старшей средней школе. Главными образовательными задачами изучения электродинамики в основной школе являются формирование понятия об электрическом заряде и электростатическом поле, постоянном электрическом токе, простейших электрических цепях, а также познакомить с учением Максвелла об электромагнитном поле и научить объяснять электрические явления, используя элементы электронной теории.

На второй ступени обучения физике данные понятия развиваются и применяются при изучении более сложных электромагнитных явлений, например, электромагнитных колебаний и волн, оптики (общеобразовательный профиль). Как для основной, так и старшей средней школы учебный материал группируется вокруг идей учения Максвелла об электрических полях. Они заложены в уравнениях Максвелла. В таблице 5 приведены уравнения Максвелла в интегральной форме. Физические величины в них выражены в единицах системы СИ. В таблице также приведены их качественные интерпретации, которые используются в современных курсах физики как систематизирующие факторы тем раздела «Электродинамика».

Таблица 5

^ Уравнения Максвелла	Качественная характеристика их содержания
1.	Источником магнитного поля являются движущиеся заряды (электрический ток) и переменное электрическое поле (ток смещения).
2.	Уравнение выражает закон электромагнитной индукции. Оно показывает, что источником вихревого электрического поля является изменяющееся во времени магнитное поле.
3.	Линии магнитной индукции всегда замкнуты.
4.	Линии напряженности электрического поля начинают и кончаются на зарядах.
^ Формула силы Лоренца

В вакууме электромагнитное поле характеризуется электрической напряженностью Е и магнитной индукцией В, зависящие от пространственных координат и времени. Для описания электромагнитных явлений в материальной среде, кроме Е и В, вводятся вспомогательные векторные величины, зависящие от свойств и состояния среды. Такими величинами являются электрическая индукция D и напряженность магнитного поля Н. В школьном курсе физики, как правило, рассматриваются электромагнитные поля в вакууме.

Интегральные характеристики уравнений Максвелла определяют не векторные величины в отдельных точках пространства – магнитную напряженность, магнитную индукцию, электрическую индукцию и электрическую напряженность, а некоторые интегральные характеристики. Как следует из таблицы 4, к ним относятся циркуляции векторов Е и Н вдоль произвольных замкнутых контуров и потоки векторов D и B через произвольные замкнутые поверхности.

Первое уравнение является обобщением на переменные поля эмпирического закона Био-Савара о возбуждения магнитного поля электрическими токами. Максвелл высказал гипотезу, что величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля во времени, названная им током смещения, возбуждает магнитное поле по такому же закону, что и ток проводимости. Полный ток равен сумме тока смешения и тока проводимости. Циркуляция вектора магнитной напряженности вдоль замкнутого контура L – это сумма скалярных произведений вектора Н в данной точке контура на бесконечно малый отрезок dl контура. Циркуляция вектора магнитной напряженности вдоль замкнутого контура определяется полным током через произвольную поверхность S, ограниченную данным контуром. В уравнении j

- проекция плотности тока проводимости на нормаль к бесконечно малой площадке ds. Частная производная электрической индукции по времени - это проекция плотности тока смещения на ту же нормаль.

^ Второе уравнение Максвелла является математической формулировкой закона Электромагнитной индукции Фарадея. Циркуляция вектора напряженности электрического поля вдоль замкнутого контура L представляет собой ЭДС индукции. Она определяется скоростью изменения магнитного полока через поверхность S, ограниченную данным контуром. Знак «-» соответствует правилу Ленца для направления индукционного тока.

^ Третье уравнение показывает, что магнитное поле порождается только электрическими токами. Тем самым уравнение выражает опытные данные об отсутствии магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам.

^ Четвертое уравнение Максвелла представляет собой обобщение закона взаимодействия неподвижных электрических зарядов - закона Кулона. Поток вектора электрической индукции через произвольную замкнутую поверхность определяется электрическим зарядом, находящимися внутри этой поверхности, т.е. в объеме V, ограниченном поверхностью S.

Следует отметить, что электрические и магнитные поля проявляются по их действию на заряженные частицы. Если известны напряженность электрического поля и индукция магнитного поля, можно найти силу, действующую в этих полях на частицу по формуле Лоренца:

. Зная начальные условия и массу частицы можно определить характер ее движения. Формула силы Лоренца также относится к основным уравнениям электродинамики. Электромагнитные процессы электродинамики условно делят на стационарные и нестационарные.

Соответственно курс физики знакомит учащиеся с электродинамикой стационарных явлений (процессов): статическими электрическими и магнитными полями, постоянным током и основами классической электронной теории. Электродинамика нестационарных процессов в курсе физике представлена такими темами: электромагнитная индукция, электромагнитные колебания, включая переменный ток, электромагнитные волны ( включая волновую оптику). Завершается этот раздел курса физики средней школы темой «Элементы теории относительности» (рис. 1).

В теме «Электромагнитная индукция» учащиеся знакомятся с явлениями, связанными с изменениями электрических и магнитных полей. Материал темы содержит следующие узловые вопросы:

- формулировка закона электромагнитной индукции;

- идеи Максвелла о связи изменяющихся магнитного и электрического полей;

- принцип относительности в явлениях электромагнитной индукции;

- практическая значимость электромагнитной индукции.

В школьном курсе физики принято трактовать закон электромагнитной индукции как обобщение экспериментальных данных. Этот подход согласуется с ходом исторического развития электродинамики.

В практике преподавания используются два способа введения электромагнитной индукции. Согласно первому из них закон фарадея излагается без вывода со ссылкой на результаты опытов, которые проделали учёные ( учебник Мякишева Г.Я. и др.).

Второй способ предусматривает вывод формулы закона электромагнитной индукции на основе имеющихся у учащихся знаний о силе Лоренца при анализе мысленного эксперимента с поступательным движением проводника в магнитном поле ( учебники- пробный учебник для 9 класса авторов Кикоина И.К. и др., учебник для 11 класса автора Касьянова В.А., учебник для 11 класса Пинского А.А. и др.)

Второй путь более предпочтителен. Получить формулу закона электромагнитной индукции с помощью прямых измерений невозможно, так как не существует прибора для измерения магнитного потока. Пока нет в школе оборудования, с помощью которого можно было бы провести косвенные измерения и проверить количественную связь между ЭДС индукции и скоростью изменения магнитного потока сквозь контур. Поэтому введение закона электромагнитной индукции со ссылкой на опыт не подкрепляется реальным экспериментом и, по существу, оказывается догматичным.

Теоретический вывод закона электромагнитной индукции для частного случая проводника, движущегося в магнитном поле, служит для последующего анализа принципа относительности. Последовательность изучения закона электромагнитной индукции разворачивается по индуктивной схеме: от частного к общему. Вначале рассматривается явление электромагнитной индукции, проводятся необходимые опыты. В замкнутом контуре наблюдается индукционный ток, т. е. явление электромагнитной индукции, если:

- перемещать контур в магнитном поле относительно источника магнитного поля;

- перемещать источник магнитного поля относительно неподвижного поля;

- изменять магнитное поле за счёт изменения силы тока в источнике (взаимная индукция, самоиндукция).

Далее следует вывести формулу закона электромагнитной индукции для частного случая, на основе имеющихся знаний о силе Лоренца, мысленного эксперимента с поступательным движением проводника в магнитном поле.

Полученную формулу следует распространить на другие случаи

Рис. 1

возникновения ЭДС; следуя обобщениям Максвелла на явления электромагнитной индукции, ввести понятие электромагнитного поля. Все вопросы данной и последующих тем электродинамики базируются на законе электромагнитной индукции.

Примерное планирование темы дано в таблице 6.

№ урока	Содержание учебного материала
Уроки 1-2	Явление электромагнитной индукции. Опыт перемещения проводника в постоянном магнитном поле, анализ данного опыта
Урок 3	Возникновение электромагнитной индукции при движении источника магнитного поля. Правило Ленца.
Уроки 4 5	Возникновение электромагнитной индукции при изменении силы тока в одном из контуров. Индуцированное электрическое поле.
Урок 6	Самоиндукция. Индуктивность.
Урок 7	Принцип относительности и явление электромагнитной индукции. Электромагнитное поле.
Урок 8	Энергия электромагнитного поля.
Уроки 9-10	Решение задач. Фронтальная лабораторная работа «Изучение явления электромагнитной индукции». Контрольная работа.

Таким образом, структура темы «Электромагнитная индукция» построена в соответствии с составляющими теоретической схемы: факты – теоретические модели и гипотезы, законы – следствия – эксперимент. Формирование у школьников такой схемы, согласно системе Л.В.Занкова, которая формирует обобщённые приёмы изучения окружающего мира.

§4. Сила Лоренца и электромагнитная индукция

Изучение закона электромагнитной индукции рекомендуется начинать с анализа опыта и явлений, возникающих в проводнике, движущемся относительно источника магнитного поля (постоянных магнитов или электромагнитов). Модель этого явления изображена на рисунке 5.

Рис. 5

Проводник движется со скоростью

перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции однородного магнитного поля. Поскольку вместе с проводником движутся в ту же сторону положительно заряженные ионы (образующие его остов) и свободные электроны, то на них действует силы Лоренца, направленные в противоположные стороны. Сила Лоренца является той сторонней силой, которая вызывает движение носителей тока по замкнутой цепи.

При выводе выражения для ЭДС индукции следует учитывать следующую особенность данной сторонней силы.

Рис. 6

Для простоты расчётов рассматривают движение положительных зарядов. Под действием силы Лоренца возникает дрейф зарядов в проводнике со скоростью

, так что результирующая скорость движения зарядов

составляет с направлением действия внешней силы F угол β.

Перпендикулярно результирующей скорости

на заряд действует сила Лоренца

, направление которой определяется правилом левой руки. Продольная и поперечная составляющая этой силы по модулю соответственно равны

Здесь q – суммарный заряд всех частиц одного знака (электронов, или дырок, или ионов), дрейфующих вдоль проводника под действием продольной составляющей силы Лоренца.

Продольная составляющая силы Лоренца, направленная вдоль проводника, совершает работу по разделению зарядов и является искомой

работой сторонних сил:

, откуда ЭДС индукции равна

.

Важно подсчитать работу поперечной силы Лоренца за некоторое время t, в течении которого заряд, двигаясь со скоростью u вдоль проводника, пройдёт расстояние l = ut. Имеем:

А_с = - F_c х = -

.

Знак «минус» показывает, что поперечная составляющая силы Лоренца и скорость перемещения проводника напавлены в противоположные стороны. Мы видим, что эта работа равна по модулю работе сторонних сил, а полная работа силы Лоренца, равная сумме работ обеих составляющих, в точности равна нулю, как это и должно быть.

Как видно, поперечная составляющая силы Лоренца совершает отрицательную работу, т.е. тормозит движению проводника. Чтобы проводник двигался с постоянной скоростью, к нему надо приложить от какго либо источника - первичного двигателя – внешнюю силу, по модулю равную силе противодействия:

. Работа этой силы равна

.

Работа механическая равна работе сторонних сил. Это означает, что механическая энергия первичного двигателя преобразуется в электрическую энергию индукционного тока, т.е. при явлении электромагнитной индукции преобразования энергии происходят в полном соответствии с законом сохранения энергии.

§5. Закон электромагнитной индукции

Особенности введения закона в средней школе состоит в том, что используется операция дифференцирования.

Предлагается учащимся перейти от частного закона электромагнитной индукции

к более общей записи. Снова обращаемся к рисунку 6. В этом случае

Площадь, ограниченная контуром,

, а магнитный поток черех эту поверхность

Найдём производную потока:

Знак минус появился потому, что в данном случае магнитный поток убывает, и его производная – отрицательная величина. При выбранном направлении оси абсцисс проекция скорости

- величина положительная.

Если проводник CD движется влево, то магнитный поток будет возрастать и его производная окажется положительной, но скорость в этом случае будет направлена противоположно оси абсцисс, т.е. её проекция будет отрицательной.

Затем анализируем и применяем формулу для всех случаев возникновения индукционного тока.

В курсе физики основной школы закон электромагнитной индукции записывается не через первую производную магнитного потока, а

изменение магнитного потока ℰ = - ∆Ф/ ∆t. Используя данную формулу, анализируются способы получения индукционного тока.

На практике индукционный ток получают не в одном замкнутом контуре, а в катушке (или обмотке), состоящей из множества витков провода. Если в катушке N витков, то ЭДС индукции в этом случае увеличивается в N раз. Закон электромагнитной индукции принимает вид:

ℰ = - N ∆Ф/ ∆t.

Обратимся к формуле определения магнитного потока Ф = В S cos a.

ЭДС индукции возникает всякий раз, когда происходит изменение магнитного потока. Закон электромагнитной индукции можно записать в таком виде:

ℰ = – ∆ (В S cos a) / ∆t.

Отсюда следует, что ЭДС в контуре может быть получена тремя способами. Один из них состоит в том, что изменяется со временем магнитная индукция поля

, например, как в случае, иллюстрируемом на рисунке 7, но не изменяется площадь контура. Приближенно можно считать, что не изменяется и угол а между направлением нормали к контуру и направлением вектора магнитной индукции в точках поля, ограниченного контуром.

Рис. 7

Второй способ возникновения ЭДС связан с изменением площади контура в однородном магнитном поле (рис..8), третий – с изменением ориентации контура (угла а) относительно вектора индукции однородного магнитного поля. Например, при вращении рамки в однородном магнитном поле (см. рис. 9) в ней возникает переменная ЭДС индукции.

Рис 8

Рис. 9

Значение ЭДС индукции во всех случаях определяется законом электромагнитной индукции, однако в каждом из них происхождение ЭДС различно.

Завершается изучение законами примером применения электромагнитной индукции в технике (рис. 10).

Рис. 10

Для более подготовленным учеников предлагается провести теоретическое исследование следующего задания.

ЭДС «источника тока» - перемычки, движущейся перпендикулярно линиям магнитной индукции в однородном магнитном поле, равна ℰ = - qυB

Докажите, что данной формуле можно придать другой вид:

ℰ = - ∆Ф/ ∆t.

Указание. Модуль υ скорости движения перемычки равен υ = d/∆t, где d - расстояние, пройденное проводником – перемычкой, а ∆t -время, за которое оно пройдено. Из рисунка видно, что произведение ld= ∆S – изменению площади контура, происшедшему вследствие движения перемычки.

§5. Принцип относительности и явление электромагнитной индукции. Электромагнитное поле

Поэтапное изучение законов электродинамики ( электрическое поле, постоянный ток, магнитное поле, электромагнитная индукция, электромагнитное поле) имеет свой недостаток. У учащихся формируется представление об электрических и магнитных поля как о самостоятельных и независимых сущностях. В настоящее время в методику преподавания введён только один путь создание правильного представления об едином электромагнитном поле – это рассмотрение явления электромагнитной индукции на основе принципа относительности. При этом не удалось вывести формулы для преобразования векторов поля при переходе из одной системы отсчёта в другую. В школьном курсе используется лишь качественное рассмотрение данного вопроса.

Принцип относительности известен учащимся из раздела механики: никакими механическими опытами, произвёденными в какой-либо инерциальной системе отсчёта, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Другими словами, в механике все инерциальные системы отсчёта равноправны.

А.Пуанкаре, а затем А. Эйнштейн распространили этот принцип на все физические явления. Экспериментально различить случаи «абсолютной неподвижности» проводника и «абсолютной неподвижной» магнита нельзя, поскольку и в том и другом случае значение ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока сквозь виток провода, а в конечном итоге – скоростью относительного витка и магнита (рис. 11).

Рис.11

Электрические и магнитные поля как особые и не зависимые друг от друга объекты не существуют. Существует один объект – электромагнитное поле как одна из форм материи (наряду с веществом). Это поле описывается в вакууме двумя векторами – напряжённостью Е и индукцией В. Векторы электромагнитного поля не независимы: их значения зависят от выбора системы отсчёта, в которой рассматривается явление.

В некоторых случаях один из векторов электромагнитного поля может обратиться в нуль. Так, если источником поля является заряженное тело, покоящееся относительно системы отсчёта, то в этой системе Е ≠ 0, а В=0. Если же источником поля служит магнит, то покоящийся относительно системы отсчёта, то Е=0 и В ≠ 0. Однако в любой другой системе отсчёта оба вектора поля отличаются от нуля, т.е. обнаруживается оба компонента - электрическая и магнитная составляющая.

Надо предупредить возможную ошибку, состоящую во мнении, что всегда путём выбора подходящей системы отсчёта можно добиться, чтобы один из векторов поля обратился в нуль. Это возможно лишь в том случае, когда векторы поля суть постоянные величины. Если векторы поля меняются во времени, то ни в одной системе отсчёта их значение не окажется равным нулю. В частности, так происходит при явлениях взаимной индукции и самоиндукции (рис. 12). Такое же явление наблюдается с электромагнитной волной: если она есть в одной системе отсчёта, то она есть и в любой другой системе отсчёта, хотя ее характеристики (например, частота) при этом меняется.

Таким образом, представленная технология и методики изучения темы «Электромагнитная индукция» соответствует основным идеям и принципам системы развивающего обучения Занкова. Сравнительная характеристика компетенций, заложенных в содержание темы и идей Занкова представлены в таблице 7.

Рис. 12

Таблица 7

^ Характеристики технологии темы «Электромагнитная индукция»

Основные идеи системы Занкова

Построение темы по схеме: явления – модели –закон – следствие – практические применения

^ Способы учебных действий: проблема, теоретическое доказательство закона, выводы, анализ способов получения индукционного тока и др.

Ведущая роль теоретического знания. Теоретические методы: дедукция, теоретическое предвидение (гипотеза) и др..

Обучение на высоком уровне трудности. Использование теоретических методов во взаимосвязи с эмпирическими.

Продвижение в изучении материала быстрыми темпами.

Осознание школьником процесса электромагнитной индукции через объяснение его причин (почему так происходит?).

Работа над развитием всех (сильных и слабых) учеников путем применения разных методик изложения.

Обучение должно идти впереди развития.

Целью обучения являются способы учебной деятельности, а не знания, умения и навыки.

Развитие – это появление новообразований в психике ребёнка, не заданных на прямую обучением, а возникающие в результате внутренних глубинных интеграционных процессов.

Общим развитием является появление данных новообразований во всех сферах психики – ума, воли, чувств учащихся. Отдельные новообразования, взаимодействуя между собой, продвигают личность в целом.

С помощью познавательных (когнитивных) структур человек воспринимает окружающий мир.

Процесс рождения нового качества личности – это создание из простых диффузных структур более сложные, что и является развитием.

^ Уравнения Максвелла	Качественная характеристика их содержания
1.	Источником магнитного поля являются движущиеся заряды (электрический ток) и переменное электрическое поле (ток смещения).
2.	Уравнение выражает закон электромагнитной индукции. Оно показывает, что источником вихревого электрического поля является изменяющееся во времени магнитное поле.
3.	Линии магнитной индукции всегда замкнуты.
4.	Линии напряженности электрического поля начинают и кончаются на зарядах.
Формула силы Лоренца

Blog

Лекция Классификация технологий обучения. Технология раннего интенсивного всестороннего развития

Содержание