29994

Возможности использования современных информационных технологий при изучении разделов «Атомная физика и Физика Атомного ядра» в школьном курсе физики

Дипломная

Педагогика и дидактика

Влияние информационных технологий на выбор форм методов и средств обучения физике 26 1. Глава 1 Современные технологии обучения в преподавании физики 1. Практика воспитания и обучения все чаще сталкивается с необходимостью доступного подчеркивающих взаимосвязь явлений мира на уровне макросистем также требует определенного наглядного объяснения объектов и явлений особенно если они принадлежать к микромиру или являются абстрактными обобщениями.

Русский

2013-08-22

806.1 KB

52 чел.

Введение                                                                                                                       2

Глава 1 Современные технологии обучения в преподавании физики

1.1.Наглядность в обучении физике                                                                3

1.2.Психолого–педагогические основы применения современных технологиях в обучении физике                                                                            5

1.3.Дидактические принципы применения современных технологий (информационных) в обучении физике                                                               22

1.4.Влияние информационных технологий на выбор форм, методов

и средств обучения физике                                                                            26

1.5.Применение информационных технологий в учебном физическом эксперименте                                                                                                          47

Глава 2 Возможности использования современных информационных технологий при изучении разделов «Атомная физика и Физика Атомного ядра» в школьном курсе физики

2.1. Тематический план уроков разделов физики «Атомная физика и Физика атомного ядра»                                                                                                       56

2.2. Содержание уроков по разделам «АФ и ФАЯ» с возможностью представления процессов и явлений с помощью виртуальных моделей         57

Урок 1. Строение атома. Опыт Резерфорда                                                57

Урок 2. Квантовые постулаты Бора                                                             64

Урок 3. Лазеры                                                                                               66

Урок 4. Строение атомного ядра. Ядерные силы                                       74

Урок 5. Энергия связи атомных ядер                                                          78

Урок 6. Закон радиоактивного распада                                                       83

Урок 7.  Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные

реакции. Ядерный реактор                                                             83

Урок 8. Применение ядерной энергии. Биологические действия радиоактивных излучений                                                              94

2.3. Рекомендации по использованию цифровых ресурсов с CD дисков, Интернет ресурсов и видеофильмов                                                                    98

Заключение                                                                                                             99

Список литературы

Введение

Актуальность: Поскольку физика является одним из сложных для понимания школьных предметов, то появление новых технологий в школе играет очень важную роль в понимании многих физических процессов и явлений, которые нельзя показать на опыте, но можно использовать анимацию, модели, видеофильмы, которые представлены на дисках или хранятся в сети Интернет. Все это можно органично вписать в структуру урока. Современные информационные технологии в школе это дальнейший шаг в развитии дидактического процесса.

Объектом нашего исследования являются современные технологии (информационные) в образовательном процессе школы.

Предмет исследования: использование современных (информационных) технологий на занятиях по физике при изучении разделов «Атомная физика и Физика атомного ядра»

В ходе исследования была выдвинута гипотеза: использование современных (информационные) технологий значительно облегчит подготовку учителя к проведению уроков по физике и проявит познавательный интерес школьников к этому предмету, при условии, если заранее будет подготовлен весь наглядный материал с помощью виртуальных моделей.

Целью работы: составить тематический план уроков по теме «Атомная физика и Физика атомного ядра»

Подготовить наглядность для указанной темы в виде виртуальных моделей, которые учитель может использовать непосредственно на уроке через сеть Интернет.

Для достижения поставленной цели и подтверждения нашей гипотезы необходимо выполнить следующие задачи:

- проанализировать методическую и учебную литературу по вопросам использования наглядности в учебном процессе;

       -изучить значимость использования информационных технологий на уроках физики, на примере тем «Атомная физика и Физика атомного ядра»

-составить для учителя школы комплект виртуальных моделей по физике.

- представить выводы.

Глава 1 Современные технологии обучения в преподавании физики

1.1.Наглядность в обучении физике

Принцип наглядности является основополагающим при применении информационных технологий в физике. Принцип наглядности получил свое первоначальное развитие и широкую интерпретацию в XVII в. и до настоящего времени остается важнейшим принципом дидактики. Требование реализации наглядности в обучении восходит к временам Яна Амоса Коменского (1592-1670) и провозглашено им в «Великой дидактике»: «Потому пусть будет для учащихся золотым правилом: все, что только можно, предоставлять для восприятия чувствами, а именно: видимое – для восприятия зрением, слышимое – слухом, запахи – обоянием, подлежащее вкусу- вкусом, доступное осязанию – путем осязания. Если какие-либо предметы сразу можно воспринять несколькими чувствами, пусть они сразу схватывают несколькими чувствами» (Я. А. Коменский Избранные педагогические сочинения. –М.: Госучиздат, 1955.- С.302).

У разных людей доминирующим может быть тот или иной вид наглядности в зависимости от индивидуальных особенностей. Обучаемый познает окружающий мир с помощью органов чувств, при этом основными являются слух и зрение. Около 90% всех сведений об окружающем мире человек получает с помощью зрения, 9% - с помощью слуха и только 1% - с помощью других органов чувств. Следует отметить также, что из всех видом памяти у большинства людей более развита зрительная, особенно у детей. Недаром говорят: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать».

Русский физиолог И.П. Павлов открыл так называемый ориентировочный рефлекс, суть которого состоит в том, что если в поле зрения человека попадает какой-то объект, то человек непроизвольно начинает приглядываться, чтобы понять, что это такое. Внимание приковывается к предмету, на которые он смотрит.

Психологические исследования показывают, что у человека, слушающего непрерывную монотонную речь, уже через 20 мин ослабевает внимание. Если же текст сопровождается показом каких-либо объектов, то в действие наряду со слуховым вступает зрительный анализатор, что позволяет лучше воспринимать объяснение.

Базируясь на этих особенностях физиологии высшей нервной деятельности и основанной на них психологии человеческого восприятия, ученые-дидактики утверждают, что наиболее высокое качество усвоения обучаемым информации достигается при сочетании слова педагога и изображения, показываемого с помощью аппаратных информационных средств.

Неизбежно возникает вопрос: «Каким образом и с помощью каких информационных средств наиболее успешно реализовать на практике принцип наглядности?».

Таких способов великое множество. Так, способами выражения зрительной наглядности могут быть графическая, иллюстративная, экранная наглядность. В свою очередь, например, иллюстративная зрительная наглядность может быть предметной, ситуативной, сюжетной и т.д. С появлением СНИТ основным способом реализации принципа наглядности стал комплексный – мультимедийный.

С внедрением в обучение новых информационных средств, особенно компьютерных, стала очевидной необходимость более широкого их применения не только в качестве средств предоставления материала, но и как объекта исследования, эксперимента, наблюдения, моделирования, контроля и коррекции знаний и для других дидактических целей. Возникла проблема разработки определенных требований наглядности, непосредственно связанных не только с психологическими особенностями познавательной деятельности учащихся, дидактическими свойствами используемых методов, но и эргономическими задачами, отражающими специфику восприятия учебной информации, работы с ней.

Понимание принципа наглядности в последние годы претерпевает существенные изменения, прежде всего, в связи с формирующимися современными представлениями дидактиков, психологов и методистов о закономерностях усвоения предметных знаний и роли информационных средств в обучении. Наглядность обеспечивает первую ступень познавательной аналитико-синтетической умственной деятельности. Она выступает как средство, позволяющее включать эти процессы в контекст умственной деятельности и стимулировать ее.  Научно обосновано и подтверждено, что наглядность способствует формированию у обучаемого самостоятельного теоретического мышления: умения анализировать, выделять существенные признаки и отношения, решать конкретные задачи на основе теоретического обобщения.

Эволюция принципа наглядности в обучении показывает его своеобразную трансформацию: от отражения внешних, чувственно воспринимаемых свойств объекта и формирования эмпирического мышления к осознанию необходимости деятельностного подхода и включения его в контекст самостоятельных действий обучаемого, в том числе исследовательских, творческих, на основе комплексного использования средств информационных технологий.

Практика воспитания и обучения все чаще сталкивается с необходимостью доступного подчеркивающих взаимосвязь явлений мира на уровне макросистем, также требует определенного наглядного объяснения объектов и явлений, особенно если они принадлежать к микромиру или являются абстрактными обобщениями. Познание законов природы, представления. Таким образом, ученик, усваивая знания, опирается на наглядные образы, полученные в ходе собственного познавательного опыта или с помощью специальных средств наглядности, которые являются своеобразными ориентирами познавательной деятельности.

Использование СНИТ позволяет визуализировать невидимые объекты и явления, частицы, звук, абстрактные теоритические понятия, т.е. создать определенный дидактический образ – модель. Основные критерии качества дидактического образа-модели – соответствие содержания и формы предъявления информации научной достоверности и доступности восприятия; основные критерии эффективности дидактических образов-моделей – умение оперировать ими и переходить на более высокую ступень обучения.

К признакам наглядности относятся: доступность восприятия, достоверность формируемых образов, визуализация понятий (как возможность показа, демонстрации, презентации объекта или явления, его отдельных сторон, признаков).

          Реализация принципа наглядности на практике тесно связана с определением содержания и технологии применения дидактических информационных средств для различных форм и видов деятельности педагога и обучаемых, особенно при определении роли и места этих средств в системе других средств обучения.

          Рассмотрев понятие наглядности в качестве важнейшего методологического основания применения информационных технологий, в целях обобщения обратимся вновь к толкованию понятия «наглядность». Обыденное толкование наглядности происходит от слова «наглядный» - убедительный, очевидный, основанный на показе. Все известные виды наглядности связаны, во-первых, с общими особенностями познания и спецификой познавательной деятельности обучаемых, которая опирается на симбиоз чувственного и логического; во-вторых, с формированием (моделированием) наглядных образов, обуславливающих и регламентирующих определенные способы деятельности педагога и обучаемого. Таким образом, наглядность в обучении есть отображение явлений реального мира в виде дидактического образа, формируемого (или моделируемого) с помощью средств обучения. Обобщив вышеизложенное, сформулируем дидактическое определение понятия «наглядность».           

Наглядность представляет собой образное восприятие явлений и процессов с помощью тех или иных моделей, которые создаются из элементов живого созерцания на основании определенных знаний об этих явлениях и процессах.

1.2. Психолого–педагогические основы применения современных технологиях в обучении физике

В учебно-воспитательном процессе информационные технологии (ИТ) помогают создавать условия, необходимые для «живого созерцания». Отображая действительность, они позволяют оперировать непосредственно фактами природы, жизни, науки. Собранные в учебный фильм (компьютерный слайд-фильм, серия диапозитивных кадров) отдельные фрагменты составляют образную модель, дающую определенное представление об оригинале. Чувственный образ, как утверждают психологи, лишь в известных рамках связан с объектом, который он отражает. Это именно сходство, а не тождество. Образная модель выступает как известное выделение деталей, необходимых в учебно-познавательных целях. Под образной моделью объекта понимают мысленно представляемую или материально реализованную систему, способную замещать объект так, что ее изучение дает новую информацию об этом объекте. Используя звукозрительную модель, выделяют те стороны объекта, изучение которых поможет сделать вывод о сущности объекта. Образная модель должна отличаться наглядностью.      При этом модель не содержит полноценного знания об объекте, а является лишь источником, дающим материал для мышления и воображения. Отбор, выделение наиболее значимого осуществляют авторы (разработчики) образной модели. Создавая зрительно-звуковой образ, они ищут средства для отражения этого главного, существенного в объекте и обеспечивают «мостик» для перехода от чувственного образа к логическому мышлению, так как на основе полученных через образную модель знаний о структуре объекта крайне важно сформулировать понятия и теоретические выводы.

     Чем отличаются модели информационных технологий от традиционных моделей (муляжей, схем, рисунков и т. п.)?

       Во-первых, динамичностью, присущей не только видео- и кинофильмам, но и слайд-фильмам, и сериям диапозативов или транспарантов. Основа этой динамичности не только в движении объекта на экране, но и в монтаже, обеспечивающем возможность выделения сущности, наиболее важного в объекте или явлении. Монтаж позволяет проникнуть в глубь явления, постичь сущность реальной действительности, например с его помощью можно показать образование кристаллов, рост и деление клетки, «побывать» на невидимой стороне Луны и стать свидетелем событий, происходивших сотни лет назад. Но монтаж не только показывает причинную последовательность события, но и несет определенную идею, мысль, причем раскрывает эту идею в движении, становлении. В условиях учебного процесса монтаж — инструмент, средство формирования мысли обучаемого.

      Во-вторых, властью над временем и пространством. СНИТ дают, но возможность показать обучаемым события, связанные с фундаментальными открытиями прошлых лет, проникнуть в глубины океана, оказаться в космосе. Эта особенность средств информационных технологий делает их такими орудиями познания, которые расширяют сферу чувственного восприятия.

     И третьих, одновременным воздействием на разные анализаторы. Такое синтетическое воздействие отличается сильной эмоциональностью. Оно порождает «эффект присутствия», ощущения соучастия, т.е. создает ту необходимую эмоциональную основу, на базе которой от чувственного образа легче переходить к абстрагированию, логическому мышлению.

    Эмоциональная окрашенность учебного материала обеспечивает глубину усвоения, активизирует процесс познания. С точки зрения психологов, эмоции — почва интуиции, они пробуждают воображение, ассоциации, концентрируют поиск информации.

    Главным достоинством ИТ является их способность приобщать обучаемых непосредственно к процессу мышления, к процессу рождения и становления мысли. Образная модель (компьютерный слайд-фильм, учебный видеофильм, учебная радиопередача, серия диапозитивов и т.п.) может сыграть роль мотива, пробуждающего интерес к предстоящему изучению темы, курса, отдельного раздела. Назначение такой образной модели — поставить цель, дать направление поиска, если необходимо — удивить. Психологи подчеркивают прямую зависимость активности умственной деятельности от эмоциональных переживаний. Чувства находятся во взаимосвязи с познавательной деятельностью. Они сами берут начало в ней, возникая на основе отражения обучаемым реальной действительности.

    Например, принцип мотивации используется создателями учебных фильмов: мотивационным кадрам отводится отдельный эпизод в начале фильма, чтобы вызвать повышение эмоциональности, резкое усиление внимания. Если мотив не заложен в начальных кадрах фильма, то возникает опасность равнодушного отношения обучаемых к дальнейшему изложению материала.

   ИТ должны и могут приобщать обучаемых к самостоятельному добыванию знаний в процессе сообщения новых фактов и сведений. Путей решения задачи может быть несколько.

    Видеофильмы, мультимедиа, телевидение могут показать пути научных открытий, историю их поиска. Однако педагогический эффект будет достигнут лишь в случае, если история науки показана как борьба идей. Главное достоинство таких дидактических информационных средств в том, что они делают мысль обучаемого активной, учат не только и не столько собирать факты, сколь ко анализировать их.

    Образная модель — средство формирования навыка наблюдения. Роль умения наблюдать в человеческой деятельности резко возрастает. Всякое наблюдение есть начало анализа, абстрагирования, отбора фактов для определения их сущности. Однако способность к наблюдению есть результат научения, определенного отношения к порученному заданию и его осознанию.

     ИТ обычно предусматривают возможность формирования у учащихся качеств наблюдателя: они содержат в начале образной мо дели мотив или установку, определяющую цель наблюдения, затем, выделяя главное, обеспечивают избирательность наблюдения; на конец, истолковывают результат наблюдения. В итоге желательно, чтобы образные модели предусматривали и задания для самостоятельных наблюдений и последующих выводов. Такие задания не должны быть сложными, но должны требовать догадки, восстановления у учащихся уже известных фактов.

     Для формирования навыка наблюдения, конечно, особенно удобны слайд-фильмы, диапозитивы, транспаранты, эпиобъекты.  Они дают возможность самостоятельного наблюдения без вмешательства диктора.

      Не менее важна роль образных моделей и в процессе развития воображения – воспроизводящего и, главным образом, творческого. Отдельные выразительные приемы видео- и телевидения непосредственно рассчитаны на воображения зрителя, на его предшествующие знания, опыт, которые помогают воссоздать, например, целое по показанной части.

       Образные модели можно использовать при формировании понятий. Понятия складываются обычно в результате длительного анализа и синтеза фактов, явлений, наблюдений. Кино-, видеофильмы могут сжать во времени этот процесс, выделить главное и тем самым ускорить формирование понятия.

      Дидактические информационные средства помогают педагогу сделать процесс изложения новых знаний, формирование понятий, наконец, процесс обобщения и практической проверки знаний увлекательным, интересным. Ключ к этому лежит в проблемном изложении фактов на экране или в звуковой передаче. Специфика средств информационных технологий обучения позволяет интересно, увлекательно раскрывать учащимся противоречия между знанием и незнанием, ставить вопросы, решение которых требует самостоятельных теоретических и практических действий, поиска, преодоления затруднений.

       В то же время проблемная ситуация, созданная на уроке физики информационными средствами, будет эффективной лишь в том случае, если учитывается специфика этих средств. Если проблема легко создается словом или традиционным пособием, то введение в такой урок средств информационных технологий вызывает ощущение искусственности и пользы приносит мало. Совершенно очевидно, ЧТО специфика средств информационных технологий исключает механическое перенесение традиционных методических приемов на занятия с их применением.

      В методическом отношении учебные занятия по физике с применением СИТ отличаются следующим:

1) такие занятия ведут как бы два преподавателя: наряду с преподавателем в объяснении, беседе, опросе участвует информационная техника. Конечно, главным остается педагог, осуществляющий связь «ученик — учитель», без которой немыслим урок. Однако в определенные моменты учитель в классе может уступить место техническому средству информационных технологий как источнику учебной информации, как средству обучения, ведущему, управляющему пли контролирующему процесс познания;

2) современная информационная техника на занятиях выступает в комплексе с традиционными средствами обучения — учебником, муляжами, таблицами и др. Учебные занятия с применением СИТ должны стать частью системы, построенной с учетом дидактических принципов (см. 2.1);

3) на всех этапах учебного занятия меняются формы работы.

Приведем примеры возможных вариантов использования СИТ:

-  на этапе изложения нового материала: просмотр фильма с последующей беседой; просмотр диапозитивов с параллельным обсуждением; фрагментарное (пошаговое) прослушивание фонодокумента в сочетании с пояснениями педагога; видео-, радиоэкскурсии; просмотр видеофильма после объяснения, беседы и составления специального задания (ответить на вопрос, найти обоснование и т.п.);

- на этапе контроля знаний: ответы на вопросы, поставленные в видеофильме; выполнение контрольного фонодиктанта; пересказ содержания просмотренного слайд-фильма; коллективный комментарий просмотренного кинофильма и т.д.

     Информационная технология меняет характер работы педагога на всех этапах урока: педагог выступает и в роли автора, составителя комплекса обучающих средств. Эта новая задача не может быть передоверена ни разработчикам образных моделей, ни методистам: комплекс может быть эффективен лишь в случае, если он определен с учетом содержания темы, специфики всех средств обучения и особенностей обучаемых данного учебного коллектива.

     Психологическая теория деятельности человека, в частности учебной деятельности, показывает, что наиболее оптимальной следует считать трехступенчатую модель освоения информационных технологий в обучении:

- первая ступень связана с развитием элементарной компьютерной грамотности и информационной культуры;

-  вторая ступень предполагает освоение новых областей знания с помощью средств информационных технологий;

-  третья ступень связана с тем, что, благодаря широкому ознакомлению со сферами профессиональной деятельности человека с помощью компьютерного моделирования, обучаемый учится управлять наиболее важными производственными процессами и общественными видами деятельности человека. На этой стадии информационные средства используются для развития навыков самообразования и переобучения.

     Эффективное применение ИТ внутренне связано с изменением содержания образования, выраженным в появлении целостных интегральных областей знаний, создании интегрированных учебных предметов, что позволит преодолевать узкотематическое проектирование школьных дисциплин путем передачи в обучении опыта различных форм и видов деятельности, эмоционально-ценностного отношения к миру, общения и т.д.

       Информатизация образования является одной из форм интенсивного проникновения современных человеко-машинных систем во все сферы общественной жизни. Согласно теории таких систем, их ведущим компонентом является человеческая деятельность, а машинный компонент выступает как орудийное средство ее эффективной реализации. Человеческая деятельность имеет много видов и форм, генетической основой которых является трудовая деятельность.

       Если действия человека соответствуют целям какой-либо деятельности, то операции, входящие в те или иные действия, соответствуют условиям достижения этих целей. Включение в процесс выполнения человеческого действия такого средства, как машина, позволяет передать машине операторную реализацию действия. При этом соотношение действий и операций подчиняется такой закономерности, что потеря каким-либо действием своей цели превращает его в операцию, а приобретение некоторой операцией цели превращает ее в соответствующее действие. Эти взаимопереходы находят свое отражение в процессе построения человеко-машинных систем.

      В человеко-машинной системе, соответствующей конкретному виду деятельности, человек, руководствуясь определенными потребностями и мотивами, ставит перед собой задачи, а оперативную часть действия, направленного на решение этих задач, выполняет посредством машины, т.е. цель действия определяется человеком, а достижение цели (получение некоторого реального продукта) осуществляется машиной.

      Но любая человеко-машинная система эффективна только при согласованности своих компонентов, при правильном вписывании машинного звена в целостную деятельность человека, потребности, мотивы, цели и действия которого определяют в конечном счете  производительное функционирование всей системы.

       Наиболее сложны человеко-машинные системы учебной деятельности. Содержанием этой деятельности является овладение Обучаемым теоретическими обобщенными по содержанию знаниями и умениями, опираясь на которые можно успешно решать различные практические вопросы.

     Учебные операции, связанные с условиями выполнения учебных умственных действий, весьма многообразны и изменчивы, поскольку эти условия соотносятся с содержанием различных учебных предметов. Определить сколько-нибудь однозначно состав
операций практически невозможно.

    Именно с этим обстоятельством связаны серьезные проблемы создания человеко-машинных систем в области учебной деятельности, хотя и в ней издавна используются как элементарные, так и достаточно сложные технические средства (например, счетные устройства,  различные аудиовизуальные средства и т.п.).

   Применение компьютерной техники позволило создать обучающие машины тренажерного типа, реализующие процесс усвоения  и проверки усвоения знаний и умений по разным предметам. Но при этом были механизированы не столько операции учебных действий обучаемого, овладевающего знаниями и умениями, сколько некоторые операции учительского труда (что, конечно, само по себе существенно). В итоге при введении учащихся в новые области знаний и организации учебной деятельности такие системы не преодолевали, а, наоборот, усугубляли противоречия, свойственные традиционному, безмашинному обучению. Схема процесса передачи знаний, принятая в данной технологии обучения, существенно затрудняет освоение учащимися основ рефлексивно-теоретического мышления, поскольку в рамках этой схемы обучение приобретает характер своеобразного «программирования» действий учащихся.

    Применение СИТ в учебном процессе является не только предпосылкой совершенствования обучения, но и потенциальным источником негативных последствий. В частности, использование человеко-машинных систем может послужить причиной распада целостной системы «учитель—класс» на отдельные элементы типа «ученик—компьютер», контролируемые учителем. Поэтому специальной задачей проектирования СНИТ обучения является поиск новых способов организации учебного процесса.

Целостность организации учебного процесса — необходимое условие для разработки человеко-машинных систем образовательного назначения. Она может быть достигнута за счет трех основных аспектов:

управления познавательной активностью обучаемых (обучаемого);

управления учебной деятельностью как системой «учитель — машина —ученик»;

управления взаимодействиями и сотрудничеством учителя и учащихся, самих учащихся.

    Успешное достижение педагогической цели при использовании средств информационных технологий обучения возможно в условиях функционирования информационно-образовательной среды, под которой понимают совокупность условий, способствующих развитию процессов информационного взаимодействия между обучаемым (обучаемыми), обучающим (учителем) и машиной (информационной техникой).

    Информационно-образовательная среда включает средства и технологии сбора, накопления, передачи, обработки и распределения учебной информации, средства представления знаний, обеспечивая связь и функционирование организационных структур педагогической деятельности.

     Назначение информационно-образовательной среды: выявление, раскрытие и развитие способностей и потенциальных возможностей обучаемого; создание условий для самостоятельного получения знаний и их качественного усвоения; обеспечение автоматизации процесса обработки результатов обучения и продвижения в учении; компенсация негативных последствий общения обучаемого со средствами информационных технологий.

Возможности СИТ в условиях функционирования информационно-образовательной среды обусловливают изменение сложившихся традиционных форм и методов обучения. Претерпевают изменения также объем и содержание изучаемого материала.

      В свою очередь, изменение организационных форм и методов обучения, содержания и структуры образования приводит к изменению технологий обучения отдельным предметам, а реализация возможностей средств информационных технологий вызывает качественное изменение дидактических принципов.

     Дидактика в условиях информатизации образования — это теория образования как система знаний о процессе развития личности обучаемого в условиях информационно-образовательной среды.

Задачей дидактики становится определение структуры, объема, содержания образования, соответствующих уровню информатизации общества и возможному уровню информационного развития обучаемого.

       Психолого-педагогической характеристикой преподавания в условиях функционирования информационно-образовательной среды является развитие и саморазвитие потенциальных возможностей обучаемого и его творческой инициативы. Это обеспечивается предоставлением самостоятельного извлечения знаний, выбора режима учебной деятельности, выбора организационных форм и методов учебной деятельности, средств наглядности, визуализации, возможности самовыражения личности.

     Результатом педагогического воздействия становятся раскрытие и развитие потенциальных возможностей индивида и их совершенствование.

Использование возможностей СИТ активизирует процессы развития операционального, наглядно-образного, теоретического типов мышления; способствует развитию творческого, интеллектуального потенциала обучаемого.

      Таким образом, в связи с информатизацией образования изменимся парадигма педагогической науки (система основных научных теорий и методов педагогической науки, по образцу которых организуется исследовательская деятельность и практика ученых-педагогов, направленная на разработку стратегии отбора содержании и организационных форм, методов обучения и воспитания).

      Процесс информатизации образования и связанное с ним изменяется парадигмы педагогической науки приводят к целесообразности использования СИТ не столько для поддержки традиционных фирм и методов обучения, сколько для реализации идей развивающего обучения, интенсификации всех уровней учебно-воспитательного процесса, подготовки подрастающего поколения к условиям жизни в информационном обществе.

     Стартовая концепция компьютерного обучения физике в России опирается на психологическую теорию деятельности, является новой по отношению к тренинговому направлению, принятому во многих образовательных технологиях зарубежных стран. Освоение НИТ в физическом образовании — залог успешной реализации личности школьника. Современному обществу необходимы личности, готовые к производительному и творческому труду, что обеспечивается наукоемкостью всех информационных средств — от персональных компьютеров до глобальных сетей Интернет.

       Отличительная черта современного этапа развития общества — стремительное проникновение ИТ во все сферы общественной жизни, что вызывает необходимость оценки существующих подходов к обучению с точки зрения соответствия их сложившимся реалиям, а также разработки новых подходов. Теории деятельности и развивающего обучения являются отправной точкой продвижения в данном направлении.

      Скорость изменения информации, необходимой для адаптации и ориентировки в окружающей действительности, в настоящее время так высока, что необычайно остро стоит вопрос о формировании у учащихся на самых ранних этапах обучения оптимальных комплексов знаний и способов деятельности, призванных обеспечить универсальность образования. Необходимо проводить работу по обучению школьников способам деятельности как специальным для того или иного предмета, так и универсальным, что составляет основу информационной культуры личности.

       Формирование навыков работы с компьютером осуществляется в школьном учреждении, как правило, учителем информатики. Учитель физики должен развивать этот процесс. Одна из главных задач каждого педагога-предметника — развитие интеллектуальной активности обучаемого: стремление к самостоятельному усвоению знаний, поиску решения проблемных ситуаций, использованию знакомых способов действий.

     Формы, методы и способы развития познавательной активности у школьников разнообразны и многовариантны. Одной из таких форм может стать формирование элементарных представлений об информационной культуре — системе общественно-исторических знаний, умений, навыков, мировоззрения, влияющих на актуализацию информационной деятельности школьника, через которую он выражает свои эстетические идеалы, потребности, интересы, суждения, убеждения и интеллектуальные способности.

       Процесс интенсивной информатизации общества предоставляет неисчерпаемые объемы самой разнообразной информации, с которой надо уметь обращаться, извлекать из нее пользу. От получаемой информации во многом зависит формирование определенного отношения подрастающего человека к жизни. Помочь ему обрести умение сосредотачивать внимание на наиболее важных, смыслообразующих звеньях информационного потока, выстраивать из них логическую цепочку, приводящую к определенным умозаключениям, — важная педагогическая задача. Информационная культура обучаемого — это, прежде всего его интеллектуальная активность, постоянная потребность в новой информации, ее переработке и самостоятельном интерпретировании.

   Формирование начал информационной культуры обучаемого можно рассматривать как один из векторов развивающего обучения: умение и желание добывать новые знания, сведения и на их основе изменять, совершенствовать свою деятельность есть не что иное, как интеллектуальный и творческий поиск.

    То, что дети школьного возраста могут с завидной легкостью овладевать способами работы с различными электронными, компьютерными новинками, не вызывает сомнений; при этом важно, чтобы они не попали в зависимость от «компьютерного друга», а стремились к живому, эмоциональному человеческому общению.

    Приобщение учащихся к информационной культуре — это не только овладение компьютерной грамотностью, но и приобретение этической, эстетической и интеллектуальной чуткости.

     Человечество стремительно движется к эпохе «информационного общества», поэтому введение компьютера в систему дидактических средств общеобразовательной школы является мощным фактором обогащения интеллектуального, нравственного, эстетического развития школьника, а значит, приобщения его к миру информационной культуры.

   Разумеется, идея воспитания подрастающего поколения с ранних лет в духе психологической готовности к использованию персональных компьютеров, компьютерных программ, компьютерных информационных технологий привлекательна для общества, перспективна для развития его промышленной, гуманитарной и экологической сферы. Вместе с тем эта область применения компьютеров в школьном образовании нуждается в тщательном научном  обосновании и постоянном контроле.

Перечислим основные отличия компьютера от традиционных с технических средств обучения:

-   представляет собой «интерактивное» средство;

-  является универсальным средством, меняющим свое функциональное назначение при смене программы;

- рассматривается как дополнительное педагогическое средство в системе средств развития школьника;

-  позволяет формировать вариативные учебные пособия, в которых резко возрастает количество и разнообразие дидактического материала;

- имеется возможность накопления информации и ее программный анализ для объективного учета индивидуальных особенностей учащегося. Анализировать можно и введенный ответ, и серию ответов. Тем самым программа «подстроена» под конкретного учащегося, предъявляя ему задания в удобном для него темпе и соответствующем его уровню развития качестве.

    При выборе программных средств для детей школьного возраста необходимо учитывать эргономические факторы. Экранные образы, способы их трансформации, изображение условных символов и их расположение, способы взаимодействия обучаемого с компьютером, возможные ответные сигналы компьютера на действия обучаемого и другие возможности обучающей программы — все это объекты эргономического проектирования программ для школьников. Интегральный показатель функционального комфорта для детей школьного возраста необходимо оценивать, исходя, как минимум, из трех компонентов: 1) мотивации — дети должны учиться заинтересованно, охотно; 2) преодоления в учебе посильных трудностей и получения удовлетворения от их преодоления; 3) минимизации затрат на преодоление технических трудностей.

Особо следует рассмотреть вопросы применения компьютерных игр в учебно-воспитательном процессе.

    Компьютерные игры не должны подменять традиционные игровые «предметные» средства обучения. Компьютерные игры и управляемые компьютером аппаратные средства должны дополнять общую систему дидактических развивающих средств.

     Игровые программы, в которых осуществляется моделирование тех или иных процессов, событий, позволяют учащимся самостоятельно управлять компьютерными моделями реальных длительных процессов и наблюдать на экране результаты и последствия этих процессов.

     Занятия с использованием компьютерных программ, развивающих игр вызывают у школьников интерес и стремление достичь поставленной цели. В процессе компьютерной «деятельности» у обучаемого развиваются положительные эмоциональные реакции. Более того, происходят коррекция и развитие психических процессов. Компьютерные игры помогают лучше усваивать знания, стимулируют приобретение новых знаний; являются своеобразным, но точным диагностическим средством: выявляют пробелы в тех или иных видах коррекционной работы; обеспечивают достижение учащимися определенного уровня интеллектуального развития, необходимого для дальнейшей учебной деятельности. Компьютерная среда, созданная на основе развивающих технологий, является эффективным способом психического развития учащихся.

     В зависимости от возраста обучаемого и применяемых программ компьютер может выступать в роли оппонента по игре, быть рассказчиком, репетитором, экзаменатором. Существуют компьютерные программы, направленные на развитие различных психических функций учащихся, таких, как зрительное и слуховое восприятие, внимание, память, словесно-логическое мышление и др.

    Основу развивающих игровых программ для школьников составляет чаще всего психологическая идея, которая, будучи облеченной в «компьютерную» форму, превращается в небольшую управляемую игру, способствующую развитию у обучаемого тех или иных способностей.

    При разработке развивающих игровых программ для школьников исходят из фундаментальной посылки, что компьютер представляет собой средство воспитания и развития творческих способностей обучаемого, формирования его личности.

   Необходимо подчеркнуть отличие развивающих компьютерных игр от так называемых коммерческих компьютерных игр. И дело здесь не только в том, что последние, как правило, связаны с насилием, погонями, военным противостоянием, поощрением разрушительных действий, агрессии, что, безусловно, является недопустимым для школьников. Смысл отличия лежит гораздо глубже и состоит в том, что для коммерческих игр характерен жесткий режим взаимодействия с играющим, при котором игрок должен «отвечать компьютеру», следуя условиям, возникающим на экране, и в темпе, обычно диктуемом компьютером. При этом дети сравнительно быстро овладевают навыками управления устройствами ввода (клавиатура, различные манипуляторы) и их внимание целиком поглощается содержанием игры, захватывающей своим сюжетом. На этой стадии интеллектуальная активность обучаемого резко снижается, так как инициатива в игре принадлежит не ему, а компьютеру. Таким образом, коммерческие компьютерные игры навязывают игроку диалог, в ходе которого происходит как бы «персонификация» компьютера — компьютер воспринимается как партнер по игре, а не как средство игры.

     Развивающей компьютерной игре свойственны закономерности, присущие игровой деятельности детей в целом (игровая задача включающая мотив, цель, способы и средства ее решения). Используя понятие «игровая задача» как единицу анализа игры на компьютере, можно отметить, что интеллектуальная активность в развивающей компьютерной игре проявляется в активном отношении к новому, в умении принимать и самостоятельно ставить игровые задачи, находить оптимальные способы их решения, «открывать» более сложные способы действий, объективно оценивать ход игры и ее результаты.

Различные игровые обучающие программы в разной степени способствуют проявлению интеллектуальной активности. Важнейшими условиями развития интеллектуальной активности в развивающих компьютерных играх являются комплексный метод руководства игрой и индивидуальный подход к обучаемым в процессе их организации.

        Комплексный метод руководства игрой предполагает естественную связь разных видов деятельности, побуждает к познавательной активности, творческой постановке и выполнению игровых задач поэтапно и все усложняющимися способами и включает четыре взаимосвязанных компонента:

-  активное познание обучаемым окружающего мира;

-  поэтапное усвоение игровых способов и средств решения игровых задач;

-  изменение предметно-знаковой среды на экране монитора;

-  активизирующее общение обучающего с обучаемым.

    Творческое начало в учебной игре глубоко индивидуально, а компьютер может выявить в ходе игры индивидуальные особенности обучаемого и поддерживать игру в зоне ближайшего развития за счет вариативности содержания игрового учебного материала. Таким образом, компьютер может «подсказать» педагогу необходимый темп работы, сложность предъявляемого материала, характер дополнительной работы и т.д. Важнейшая функция учебных компьютерных игр — обучающая.  Рассмотрим, что нового может дать компьютер по сравнению с реальным учителем. В компьютерных играх учащийся быстро понимает, что изображения на экране — это не сами предметы, а только знаки этих предметов. В различных играх эти знаки или символы реальных предметов усложняются, становятся все более обобщенными и все меньше походят на окружающие реальные предметы. Таким образом, у учащихся очень быстро развивается так называемая знаковая функция сознания, т.е. понимание того, что есть несколько уровней реальности окружающего нас мира, — это и реальные предметы, и картинки, и схемы, это слова и уравнения и, наконец, это наши мысли, которые являются наиболее сложным, идеальным уровнем действительности.

     Однако «знаковая функция сознания» не только дает возможность осознать наличие в природе всех этих уровней, но и лежит в основе самой возможности мыслить без опоры на внешние предметы. О важности такого мышления и сложности его развития свидетельствуют известные многим учителям физики трудности при обучении школьников молекулярной и атомной физике. Учащиеся познают микромир с опорой на абстрактное мышление. Компьютерные моделирующие средства в игровой форме дают возможность облегчить процесс перехода психического действия из внешнего плана во внутренний.

      Когда началось массовое проникновение микрокомпьютеров и процесс обучения, многие предприимчивые специалисты начали разрабатывать «обучающие» программы для школьников. Но из-за технических ограничений того периода и узкого понимания многими разработчиками термина «обучение» большинство созданных ими программ оказалось нежизнеспособным — одни программы, рекламируемые как учебные пособия, представляли собой обычный текст с включениями вопросов и вариантов ответов на них, другие были построены по принципу проб и ошибок, заставляя учащихся отвечать на вопросы и выдавая реакцию на их ответы в форме краткого сообщения («Нет, попытайся еще раз!» или «Молодец, правильно!»). После того как ученик правильно выполнял несколько заданий, такие программы обычно вознаграждали его (музыкой, миганием экрана, оживлением изображений на экране и т.д.). Несмотря на совершенствование программных средств, многие разработчики и потенциальные покупатели (в основном учителя с низким уровнем компьютерной грамотности) все равно придерживаются устаревших взглядов на то, какие программы являются обучающими, а какие — нет. Многие считают, что если программа не способна выполнить «серьезное» задание, то ученику не следует обучаться на ней. Встречаются обучающие программы, которые преподносят прописные истины и просто тренируют школьников в определенной области знаний.

       Существуют, по крайней мере, две проблемы, связанные с такими программными средствами. Во-первых, можно легко упустить из виду другие аспекты обучения, когда все внимание сосредоточено лишь на правильных и неправильных ответах и фактах, которые требуется запоминать. Эта сторона обучения не лишена определенного смысла, однако гораздо важнее помочь ученику торить, т.е. делать то, чего нельзя добиться простым запоминанием. Качественные образовательные программы, выпущенные па рынок, не имеют явно выраженного «инструктирующего» характера. Так, ряд программ обучения физике подталкивает школьников к самостоятельным «открытиям» физических явлений и законов, тем самым не только побуждая совершенствовать физические умения, но и развивать воображение. Во-вторых, учебные пособия, подготовленные в старом стиле, обычно недостаточно занимательны.

      Обучающие программы, которые необычайно увлекают учащихся, - это игры, ориентированные на обучение. Особенно интересны так называемые имитационные игры, которые точно воспроизводят историческую, географическую или научную обстановку, погружают  в нее учащихся, призывая выступать в роли исследователей, принимать решения и преодолевать препятствия. Другие
представляют собой современные и улучшенные версии тренирующих программ; процесс тренировки и запоминания теперь протекает на фоне увлекательной ситуации с элементами игры (например блуждание по лабиринтам, увлекательное соревнование с противником и т.п.) и сопровождается великолепной графикой и звуковыми эффектами. Чтобы понять, научит ли чему-нибудь конкретная игра школьника, прежде всего надо определить, какое удовольствие он получает от игры: внутреннее (тесно связанное с содержанием изучаемого предмета) или внешнее (не имеющее отношения к содержанию изучаемого предмета). Главным в игре является ее содержательная сторона (учебный материал); хотя здесь присутствуют и некоторые внешние стимулы в виде набранных очков или полученных оценочных баллов, наибольшую радость юные игроки все же получают от успешного решения учебных задач. Обучающие игровые программы построены таким образом, что содержащиеся в них игровые элементы направлены в первую очередь на обучение. Наиболее ярко это проявляется в обучающих программах с физическим содержанием, которые отправляют игроков в воображаемое исследование природных явлений, давая ключи для миропонимания и формируя мировоззрение. В этом случае трудно отделить собственно игру от содержания предмета, что увеличивает вероятность того, что у школьника пробудится интерес к физике и познаванию природы. Гораздо больше компьютерных программ занимают противоположную позицию, делая акцент на внешнюю мотивацию: при правильном ответе на физическую задачу — продвижение по лабиринту, при правильно сформулированном физическом определении — поражение ракеты и т.д.

      Обучающих программ только с внутренней мотивацией мало. Во многих случаях внешняя мотивация вполне оправдана. Кроме того, некоторые учебные темы намного легче использовать в качестве предмета исследования. Например, при изучении механического движения легко представить себе игру, в которой дети путешествуют по волшебной стране, рассчитывая, как далеко им до цели при каждой смене направления движения. Если же требуется просто запомнить таблицу физических констант, то сложно придумать обучающую игру с внутренней мотивацией.

      При анализе обучающих программ, построенных в расчете именно на внешнюю мотивацию, необходимо оценить, насколько она будет увлекательна для школьника.

      Существуют два типа обучения — первичное, ориентированное на содержание предмета, для овладения которым предназначена обучающая программа, и вторичное, связанное с чисто игровыми элементами, введенными в целях поощрения игрока.

      В играх так называемого аркадного типа (встречи с неожиданными опасностями, погони, стрельба, схватки с врагами и т.д.) вторичное обучение обычно заключается в развитии быстроты ре акции, точности прицеливания и т.д. Например, если у ученика имеются определенные проблемы с координацией движений, то аркадная игра, доставляющая ему удовольствие, улучшит его двигательные способности; или учитель почувствовал, что ученику непоседе нужно «выпустить немного пара» в такой игре, чтобы затем он был способен сосредоточиться на других, более важных задачах. Однако учитель может удерживать ученика от таких игр, если посчитает, что в них много насилия, или убедится, что они лишь укрепляют навыки, которые он и без того совершенствует ежедневно, или если ученику не нравятся такие игры.

    В играх с обучением встречаются также и другие виды вторичного обучения. Иногда может показаться, что некоторые игры требуют неоправданных затрат времени и энергии ученика. Игра может попутно развивать другие навыки, необходимые школьнику. Возможно, его любимая игра включает элементы стратегии, решения логических задач и дедуктивного мышления, т.е. развивает навыки умственной деятельности, полезные во многих жизненных ситуациях. Бывают игры с лабиринтом или загадочной картинкой, которые заставляют школьника сконцентрировать внимание на ориентации в пространстве без жесткого лимита времени, характерного для аркадных игр. Даже если ни один из этих побочных навыков не связан непосредственно с основной целью, ради которой была разработана программа, они часто могут быть ценны сами по себе. Действительно, нельзя сбрасывать со счетов игры, ориентированные всецело на развитие побочных навыков. Если школьник уделяет много времени конкретной обучающей программе и эта программа нацелена как на содержательную сторону предмета, так и на развитие навыков, которые, по мнению учителя, важны для конкретного ученика, и если она стимулирует мыслительную и творческую активность — это и есть эффективное обучение.

     Итак, компьютер развивает множество интеллектуальных навыков, но необходимо помнить о норме. Существуют определенные ограничения по времени. Так, школьникам не рекомендуется заниматься на компьютере более 0,5 ч. В противном случае, возможно не только снижение зрения обучаемого, но и ухудшение его психического здоровья. При всем преимуществе компьютерных дидактических средств они все же создают иллюзию общения и не приводят к формированию навыков настоящего общения. Особенно это опасно для застенчивых детей. Реальное общение доставляет им  психоэмоциональное напряжение, ставит их в ситуацию дистресса, и тогда на смену ему приходит псевдообщение. Компьютер дает возможность перенестись в другой мир, который можно увидеть,  с которым можно подружиться. В то же время школьник все больше отвергает реальный мир, где возможны негативные оценки  и необходимость перемен. Такой уход в искусственную реальность   может сформировать у ученика подобие психологической зависимости от компьютера.

     Компьютерные технологии прочно утвердились в нашем обществе. Компьютерная реальность дополнила общую реальность. Игры, как продукт компьютерной среды тоже заняли определенное место в жизни людей, и их популярность возрастает. Увеличивается и количество людей, играющих в эти игры, поэтому можно говорить о Homo virtualis — новом типе человека. Вследствие того что компьютер может выполнять разнообразные функции, появляется подтип Homo virtualis Homo ludense — человек играющий, или геймер. Компьютерная игра стала неотъемлемой частью реальной жизни для этого типа людей, так как субъективная удовлетворенность от самого процесса игры является игровой основой. Игра превратилась в важный фактор познания окружающего мира, освоения ролевых функций, психического развития личности, ее социализации и подготовки к будущему. Игра стала отражением мифа в реальности. И в то же время появляется новая философия альтернативной жизни — геймеризм, где каждый может играть ту роль, которую захочет. Геймеризм — социальное явление. Виртуальная реальность, в которой существуют геймеры, стала средой самовыражения. Наряду с положительными качествами компьютерных игр, таких, как избавление от стресса, развитие способностей логического мышления, находчивости и нестандартного мышления, стоит также отметить и отрицательные: развитие агрессивных инстинктов, притупление воображения, психические заболевания и болезни глаз. Геймеризм вызывает зависимость. Некоторые геймеры, в течение продолжительного времени пребывающие в виртуальной среде, настолько привыкают, что не могут обходиться без игр. Когда геймер по каким-либо причинам не может находиться в виртуальной среде длительное время, он ищет замену ей в реальной жизни.

       Работа на компьютере обучает детей новому способу, более простому и быстрому, получения и обработки информации. А умение получить необходимый для обучения материал и быстро его обработать ускоряет и оптимизирует процесс мышления, помогает не только узнать больше, но и лучше, точнее решать новые задачи. Но при этом необходимо помнить, что в развитии навыков реального общения компьютерные навыки могут играть только вспомогательную роль.

     Развивающая дидактика — это системный процесс обучения, направленный на развитие личности с учетом ее возрастных возможностей, зоны ближайшего развития и перспектив развития Обучаемый всегда личностно и индивидуально ориентирован. И содержание, и методы, и формы компьютерного обучения, с одной стороны, должны быть всегда новы и интересны для обучаемого, с другой — опираться на уже имеющийся опыт и включать его отдельные элементы. Сам процесс компьютерного обучения связывается со всей многоаспектной и эмоционально богатой жизнью школьника. Тогда новая информация, новый способ действия и другие навыки, полученные им в процессе специально организованного школьного компьютерного обучения, могут стать развивающим результатом общего обучения.

      Развивающее обучение с использованием компьютерных технологий — одно из звеньев в общей дидактической системе школы. Оно связано с решением разных задач: сенсорного воспитания, морального и эмоционального развития, инициативности и др. При таких подходах компьютер становится действенным средством учебной деятельности в развивающей и личностно-ориентированной дидактической системе, формирующей компетентную творческую личность, сохраняя при этом здоровье обучаемого.

1.3 Дидактические принципы применения современных технологий (информационных) в обучении физике.

Средства информационных технологий – это «орудия» педагогической деятельности. Теоретические основы педагогической деятельности заложены в ее фундаментальных дидактических принципах, которые, в свою очередь, служат основой для оценки места и роли информационных технологий в учебном процессе; для определения закономерности отбора информационного материала и разработки методики применения информационных технологий.

       К дидактическим принципам, обеспечивающим высокую эффективность средств информационных технологий обучения, относятся следующие принципы: связи обучения с жизнью, научности, доступности, систематичности, преемственности, наглядности, мотивационной стимуляции, педагогической технологичности.

       Принцип связи обучения с жизнью связан непосредственно с отбором дидактических информационных материалов для учебного процесса. Значение информационных технологий в реализации этого принципа состоит, прежде всего, в расширении с помощью современных средств информационных технологий (теле-, видео-, аудио-, мультимедиа, Интернет), жизненного опыта обучаемых.

        Принцип научности – это требование строгого соответствия содержания образования уровню современной науки. Принцип предполагает соответствие средств информационных технологий обучения (их содержания, устройства, методики применения и т.п.) современному уровню развития науки, области знаний и культуры, вооружение обучаемых достоверной научной информацией и современными способами учебно-познавательной деятельности.

        Телекоммуникации, Интернет-ресурсы, мультимедиа-технологии, компьютерная обработка информации, видеозаписи- общепризнанный инструмент современного научного исследования, средство познания явлений природы и общества. Созданные наукой информационные технологии стали своеобразным языком науки, с помощью которого получают и передают научную информацию. Поэтому использование современных  средств информационных технологий в учебном процессе содействует  повышению научности преподавания.

           Принцип доступности предполагает при применении информационных технологий обучения обеспечение логической последовательности в изложении учебного материала, опору на предшествующий познавательный опыт обучаемого. Для создателей дидактических информационных средств принцип доступности позволяет определить отбор учебного материала и методы его изучения с точки зрения возможностей обучаемых, а для педагогов служит опорой при определении методики работы с дидактическими информационными средствами.

         Этот принцип определяет поиск специальных приемов использования учебной информации с учетом возрастных особенностей обучаемых, их интересов и уровня знаний. Обеспечение доступности материала не должно сводиться к стремлению упростить изложение информации – это может привести к потере интереса обучаемого не только к данной информации, но и к самой учебной теме. Недопустима и чрезмерная сложность в обучении материала – она притупляет интерес обучаемых к проблеме, вызывает желание уйти от трудностей.

       Принцип систематичности заключается в обеспечении последовательного усвоения обучаемым определенной системы знаний. В этом педагогу оказывают помощь комплексы средств информационных технологий в обучения. Особая роль в них отводится мультимедиа – красочные картинки и музыкальное сопровождение способствуют лучшему усвоению учебного материала.

        Обеспечению систематичности и последовательности в обучении способствует контроль знаний обучаемых, для чего широко используют компьютерные контролирующие и мониторинговые средства.

          Принцип преемственности проявляется в реализации взаимосвязей между событиями и явлениями в процессе их развития. Демонстрации этого в значительной степени способствует использование информационных технологий. В учебной информации, предъявляемой обучаемому, дидактическими информационными средствами должна прослеживаться зависимость между объектами, событиями и явлениями науки.

          Принцип наглядности в дидактике понимается более широко, чем непосредственное зрительное восприятие, и включает восприятие через моторные, тактильные (от лат. tactus – чувство, осязание) ощущения. Чем более разнообразны чувственные восприятия учебного материала, тем лучше он усваивается. Информационные технологии способны внести элементы эмоциональности в процесс представления учебной информации и действия по ее переработке. Но быстро возникший интерес к учебному материалу, не будучи подкрепленным соответствующей работой, углубляющей его, может исчезнуть. Поэтому важно использовать дидактические информационные средства не случайно, а в обоснованной системе последовательности, преследующей, кроме основных задач, и задачу укрепления интереса к обучению. (Принцип наглядности является основополагающим принципом при применении средств информационных технологий, поэтому будет более подробно рассмотрен в следующем подразделе.)

        Принцип мотивационной стимуляции предполагает при применении средств информационных технологий использование приемов, основанных на мотивах, побуждающих обучаемого к активному интересу при выполнении заданий или достижении поставленной цели.

         Активизация обучения тесно связана с формированием устойчивого познавательного интереса, чему во многм способствует новизна в содержании учебного материала, вызывающая необходимую реакцию обучаемого. Значительную роль в обеспечении этого условия играют современные средства информационных технологий (компьютерные средства, видеозаписи, телевидение и т.п.).

         Большое влияние на формирование интереса учащихся к знаниям оказывает историзм в обучении, принятый как важный принцип сообщения учебного материала. Средства новых информационных технологий обладают особой возможностью исторического освещения фактов, научных открытий, явлений, деятельности ученых-физиков.

         Стимулирует интерес обучаемых и включение в учебных процесс документального материала, несущего сильный заряд воспитательного воздействия. Информационные технологии позволяют использовать самые различные варианты документального материала: фотографии, рисунки, старинные книги, документальную кинохронику и т.п.

         Значительно повышается интерес обучаемых за счет организации познавательной деятельности, рассчитанной на увеличение объема самостоятельной работы, включение разнообразных заданий поискового характера, создание проблемных ситуаций. В этом отношении современные компьютерные средства обладают огромными возможностями.

          Интерес подкрепляется также в тех случаях, когда обучаемые четко понимают практическую необходимость получаемых знаний для дальнейшей жизни.

          Принцип педагогической технологичности предусматривает адекватность применяемых средств информационных технологий конкретным приемам и методам работы педагога. Большое значение для реализации этого принципа имеет уровень знаний педагога, его опыт в области использования информационных технологий в обучении.

         Кроме рассмотренных традиционных дидактических принципов отметим специфические дидактические принципы, обусловленные использованием преимуществ СНИТ.

         Принцип адаптивности подразумевает приспособляемость к индивидуальным возможностям обучающегося. Он означает адаптацию процесса обучения к уровню знаний и умений, психологическим особенностям обучающихся.

          Различают три уровня адаптации:

Возможность выбора обучающимся наиболее подходящего для него индивидуального темпа изучения материала;

Диагностика состояния обучающегося, на основании результатов которой предлагаются содержание и методика обучения;

Открытый подход, которые не предполагает классифицирование возможных пользователей средств информационных технологий, а заключается в стремлении создать как можно больше условий и вариантов использования СИТ для расширения контингента обучаемых.

Принцип интерактивности обучения означает, что в процессе обучения должно иметь место взаимодействие обучаемого со средствами информационных технологий, которые должны обеспечивать интерактивный диалог и суггестивную обратную связь. Важная составная часть организации диалога – реакция средств информационных технологий на действия пользователя (обучаемого). Суггестивная обратная связь позволяет контролировать и корректировать действия обучаемого, выдавать рекомендации по дальнейшей работе, осуществлять постоянный доступ к справочной информации. При контроле  с диагностикой ошибок по результатам учебной работы суггестивная обратная связь позволяет получить результаты анализа работы с рекомендациями по повышению уровня знаний.

            Принцип реализации возможностей компьютерной визуализации учебной информации предполагает анализ возможностей современных средств отображения информации (технические возможности средств отображения информации – компьютеров, мультимедиа-проекторов, средств виртуальной реальности и возможностей современного программного обеспечения) по сравнению с качеством предоставления учебной информации.

           Принцип развития интеллектуального потенциала обучающегося предполагает формирование разнообразных стилей мышления (алгоритмического, наглядно-образного, рефлексивного, теоретического), умения принимать рациональные или вариативные решения в сложных ситуациях, навыков в обработке данных, информационно-поисковых систем, баз данных и пр.).

            Принцип обеспечения полноты (целостности) и непрерывности дидактического цикла обучения означает, что средства информационных технология должны предоставлять возможность выполнения всех звеньев дидактического цикла в пределах одного сеанса работы (обучения).

1.4.Влияние информационных технологий на выбор форм, методов и средств обучения физике

   Форма обучения — это внешняя сторона учебного процесса, отображающая его внутреннее содержание и взаимодействие технологических компонентов. Форма обучения физике определяется главным образом учебно-воспитательными задачами и содержанием учебного материала. Классифицируют формы обучения по различным признакам:

-  по месту проведения занятий — школьные, внешкольные, дистанционные;

-  по времени — урочные, внеурочные;

-  по контакту обучающего и обучаемых — очная, заочная;

-  по охвату обучаемых — индивидуальные, групповые, массовые;

-  по степени участия преподавателя — самообучение, с участием преподавателя, с участием машины (автоматизированное);

-  по виду деятельности — урок-лекция, урок-семинар, урок-лабораторная работа и т.д.

     Отдельно выделяют системные формы организации учебного процесса по физике. Наиболее распространена в общеобразовательной школе урочная система (занятия проводятся по твердому расписанию при постоянном совместном участии обучающего и
обучаемых). С внедрением в учебный процесс общеобразовательной школы современных СИТ представилась возможность возобновления давно забытых (применялись в начале XX в.) форм обучения физике, как лабораторная система (занятия проводятся по полусвободному расписанию), проектная система (занятия проводятся по индивидуальному расписанию), но на более высоком уровне.

    При урочной системе весь подлежащий изучению материал разбивается самим преподавателем на отдельные блоки, укладывающиеся в отдельные часы занятий-уроков. Урок — это организационная форма обучения, при которой преподаватель в течение точно установленного времени управляет коллективной познавательной деятельностью постоянной группы учащихся (класса). В традиционном понимании основной формой занятий по физике в общеобразовательной школе является урок. Применительно к информационным технологиям урочная система обучения физике, как и всякая другая система занятий, имеет достоинства и недостатки.

К достоинствам можно отнести следующие:

-  точное, своевременное, последовательное представление информации, что облегчает ее дальнейшее усвоение;

-  предварительная отладка всех аппаратных и программных средств, применяемых в ходе урока, обеспечивает надежность их работы в тесной связи с курсами физики в логической последовательности;

-  возможность организации фронтальной работы с дидактическими информационными средствами;

-  коллективное обсуждение представленного информационного материала, на котором взаимодействуют разные точки зрения учащихся, и нередко ошибочные ответы одних учащихся вызывают ряд новых мыслей и запросов других. Каждая такая новая мысль сразу становится достоянием всего коллектива;

-  возможность рациональной постановки задач по работе с информацией сразу для всего коллектива.

Но при всех своих достоинствах урочная система имеет следующие значительные недостатки:

-  не происходит полного усвоения материала, поэтому обучаемый не может развить свою активность на таких занятиях в полной мере;

-  усвоение и закрепление знаний, полученных в ходе представленной на уроке информации, дополнительно производится вне обязательных часов расписания, самостоятельно, от чего удлиняется процесс обучения, мало времени остается на активное творческое обучение;

-  существует ежедневная многоцелевая, независящая от воли обучаемого смена одной учебной информации другой, не считающаяся с направлением интереса и внимания обучаемого в данный момент времени;

-  готовая, четко распределенная от урока к уроку учебная им формация дает готовый внешний порядок ее изучения, препятствуя развитию у обучаемого умения планировать процесс своего обучения во времени и самостоятельно добывать необходимую для этого процесса информацию;

-  отсутствие преподавателя-консультанта при самостоятельной проработке учебной информации.  Как бы хорошо не было выполнено представление учебной информации, у каждого, даже наиболее сильного обучаемого, при детальной самостоятельной проработке информации возникает ряд вопросов, многие из которых за отсутствием преподавателя-консультанта так и остаются неразрешенными, задерживая дальнейшее усвоение информации.

   Лабораторная система занятий по полусвободному расписанию и проектная система занятий по индивидуальному расписанию позволяют частично скомпенсировать недостатки урочной системы занятий по твердому расписанию.

В противоположность урочной системе занятий, при которой весь подлежащий проработке материал разбивается самим преподавателем на отдельные порции, укладывающиеся в часы занятий-уроков, в основе проектной системы лежит «метод проектов». При проектной системе организации занятий учащиеся сами или совместно с преподавателем составляют свой проект (или траекторию) обучения, планируют необходимый для его осуществления теоретический и практический материал и самостоятельно осуществляют обучение (используя для этого СНИТ), после чего демонстрируют приобретенные знания в форме зачета или экзамена (так называемый экстернат). Проектная система обеспечивает наибольшую самостоятельность и активность обучаемому. В этой системе преподаватель играет роль консультанта. Большую часть теоретического материала учащиеся получают из электронных учебников, электронных справочников, мультимедийных учебных пособий и Интернета. Компьютер помогает ученику освоить методику решения задач, контролирует обучение и «предоставляет» свои услуги при проведении экспериментальных и вычислительных работ.

     Лабораторную систему организации занятий по физике не следует смешивать с лабораторным методом обучения, который находит свое выражение в изучении физических явлений и законов на так называемых лабораторных занятиях (урок-лабораторная работа, урок-физический практикум и т.п.) при самостоятельном выполнении учащимися физических экспериментов с использованием реальных или виртуальных физических приборов.

     Лабораторная система занятий переносит на самостоятельную работу учащихся не только упомянутые выше лабораторные занятия,  что делается и при урочной системе, но также и самостоятельное и усвоение теоретического материала без полного предварительною объяснения преподавателем всей подлежащей усвоению учебной информации, а также самостоятельное закрепление и углубление учебной информации.

    При лабораторной системе организации занятий все время, предназначенное на усвоение физики, в частности время, намеченное для изучения каждой темы, делится на две части: одна проходи в совместных занятиях преподавателя со всем классом (группой обучаемых); другая уделяется самостоятельному обучению при так называемой консультации со стороны преподавателя. Занятия и консультации могут проводиться как непосредственно в классе, так и опосредованно, через телекоммуникационную компьютерную сеть.

      Главное достоинство лабораторной системы состоит в том, что значительная часть времени, которая при урочной системе идет на уроки-лекции, уроки-беседы, уроки-семинары, где «слушают» либо преподавателя, либо учащихся (т.е. занимаются в большей части «слушанием»), при этой системе идет на самостоятельное добывание и усвоение знаний учащимися, естественно при консультациях со стороны преподавателя и компьютерных интеллектуальных систем. При этом повышается интерес к обучению физике, вырабатывается навык планирования своей работы, появляется возможность уделять больше времени и сил тому, что наиболее соответствует склонностям обучаемого, т. е. одновременно с учением закладываются первые навыки исследовательской работы.

    Применение проектной и лабораторной систем требует определенных материальных условий: наличие в школе отдельных помещений, оснащенных необходимыми средствами СИТО, которые учащиеся используют при самостоятельной работе, достаточного числа высококвалифицированных преподавателей-консультантов, обслуживающий инженерно-технический состав и т. п.

     Кроме достоинств, применение проектной и лабораторной систем организации занятии имеет недостатки:

-  ослабляется коллективное начало (непосредственное взаимодействие между учащимися переходит в опосредованное общение через компьютерные сети);

-  при недостатке дидактических СИТ для свободного пользования у обучаемых могут возникнуть трудности с выполнением проектного плана, что влечет внесения изменений в план и сроки его выполнения;

-  при недостаточных или некачественных консультациях или плохом составлении индивидуальных заданий исчезает углубленность проработки материала, появляется поверхностность усвоения  знаний и слишком формальный их характер;

-  при перегрузке заданий или несогласованности заданий с индивидуальными возможностями обучаемого у обучаемого создается беспокойное состояние, вызываемое опасением невыполнения  задания в срок или проекта обучения в целом.

     Недостатки лабораторной и проектной систем устраняются труднее, чем недостатки урочной системы. Следует особенно следить за глубиной проработки учебного материала, за пониманием смысла физических законов, приобретением навыков решения физических задач, излагать суть и практическое применение физических процессов и явлений и т. п.

Выбор формы организации учебного процесса по физике и формы занятий определяется учебно-воспитательными целями. Однако при любой форме проявляются одни и те же основные закономерности обучения: зависимость обучения и воспитания от целенаправленного учета преподавателем потребностей обучаемых, уровня эмоционально-ценностной подготовки, значимости изучаемого материала; зависимость характера активности обучаемого от вида деятельности, организуемой преподавателем в соответствии с содержанием образования и способом его усвоения.

Перейдем к вопросу о влиянии современных информационных технологий на методы обучения физике.

    Метод обучения — это система целенаправленных действий, организующих познавательную деятельность обучаемого, обеспечивающую усвоение им содержания образования и достижение целей обучения. Как видно из определения, методы обучения зависят от целей обучения и содержания образования. Цели обучения определяются социальным заказом общества или конкретной личности, следовательно, метод обучения — категория социальная. С развитием общества меняются и дополняются цели обучения, и содержание образования, а следовательно, и методы обучения (методы обучения физике в частности).

       На ранних этапах развития общества единственной задачей, стоящей перед обучаемым, было усвоение преимущественно схоластических знаний. Поэтому методы, которыми пользовались преподаватели, сводились в основном к повествованию. Обучаемым необходимо было воспринять учебную информацию и воспроизвести ее. Позже появилась потребность обучать применению знаний па практике. В этих условиях педагог должен был организовать не только усвоение и воспроизведение знаний, но и их практическое применение. На современном этапе цели образования коренным образом изменились. В настоящее время общество переживает этап всеобщей информатизации. Наряду с формированием знаний, умений и навыков стоят задачи развития мышления школьников, их познавательной активности и самостоятельности, формирования современного миропонимания и мировоззрения. Соответственно изменилась и система методов, используемых в процессе обучении в физике, среди которых особое место принадлежит методам, организующим познавательную деятельность, ориентированную на личность конкретного обучаемого.

       В традиционной дидактике физики существуют различные классификации методов обучения, зависящие от того, какой топологический признак положен в основу классификации. Наиболее удобной со стороны информационного подхода является классификация, основным топологическим признаком которой служит информационный источник получения знаний:

-   словесные методы, где источник знания — устное или печатное слово;

-   наглядные методы — наблюдаемые предметы, явления, наглядные пособия;

- практические методы — практическая (решение физических задач, выполнение упражнений и т.п.) и экспериментальная (фронтальные лабораторные работы, физический практикум, домашнее экспериментирование и т.п.) работа.

       С развитием информационных средств меняются и обогащаются словесные методы обучения. Если в традиционном понимании словесные методы можно разделить на методы устного (рассказ, объяснение, беседа,   дискуссия) и письменного (работа с учебником, дидактическим материалом, использование рабочей тетради и т.д.) изложения материала, то применение СИТ привело к введению в обучение физике электронного представления учебного материала (таких ТСО, как электронный учебник, электронный за дачник, электронная рабочая тетрадь и т.д.). Современные информационные средства оперируют не устным или письменным, а электронным словом — новым источником знаний, представленным в звуковой (аудиотекст) или визуальной (электронный текст) формах. Электронное слово может быть записано на электронных (цифровых) носителях информации (оптические и магнитные диски) или сохраняться в оперативной памяти компьютера. Электронное слово служит основным источником знаний при реализации телекоммуникационной формы дистанционного обучения.

      Значительно обогащаются при применении СИТ наглядные методы обучения физике, что достигается сочетанием иллюстративных и демонстрационных методов с компьютерным моделированием физических процессов и объектов.

      Понятие «модель» в первоначальном значении было связано с архитектурой. В эпоху Средневековья оно обозначало масштаб, в котором  выражались пропорции здания. В дальнейшем «моделью» стали называть образец, по которому что-то создается в искусстве. Так как образец обычно представлял уменьшенную копию предмета, возникло представление о модели как о миниатюрном изображении, похожем на объект во всем, кроме размеров.

       Впоследствии понятием модели стали пользоваться в научны исследованиях, когда непосредственное изучение каких-либо явлений оказывалось невозможным или малоэффективным. В этом случае изучаемый объект (ввиду его значительной сложности) заменяют другим, более простым и доступным для исследования и находящимся в  некотором соответствии с оригиналом.

     Под моделированием понимается такой специфический метод познания, который включает построение моделей (или выбор готовых) и изучение их в целях получения новых сведений о рассматриваемых физических объектах.

Моделирование может быть:

• предметное (исследование основных геометрических, физических, динамических, функциональных характеристик объекта на модели);

• физическое (воспроизведение физических процессов);

• предметно-математическое (исследование физического процесса путем опытного изучения каких-либо явлений иной физической природы, но описываемых теми же математическими соотношениями, что и моделируемый процесс);

• знаковое (расчетное, абстрактно-математическое).

Особенность экспериментирования на модели — неограниченность во времени и повторяемость протекающих процессов.

        Предметом изучения школьного курса физики являются такие материальные объекты, как вещество, поле и их структурные элементы (молекулы, атомы, электроны и т.п.). Часть характеристик физического объекта может быть усвоена учеником путем наблюдения за объектом и экспериментирования с ним. Таким способом изучаются, например, явления плавления и кристаллизации, кипении и конденсации, разнообразные технические объекты в процессе  проведения экскурсий и многое другое. Такое изучение физических объектов называют натурным изучением. В этом случае под руководством учителя ученик непосредственно взаимодействует с объектом изучения (физическим явлением или процессом), получая  информацию о его характеристиках. Полученную информацию ученик затем преобразует в собственные знания.

       Достоинства метода заключаются в возможности создания у учащихся  системы чувственных образов как непосредственного отражения действительности, что является необходимым условием дальнейшего  их обучения. Знания, полученные при натурном изучении,  отличаются наибольшей достоверностью.

   Основной недостаток натурного изучения — трудность вычленения и обособления отдельных элементов целостной структуры и ее функции.

    В большинстве случаев объект реально осязаем только с внешней стороны. Не всегда интересующие ученика характеристики и признаки физического явления легко поддаются обособленному выделению, а следовательно, и быстрому усвоению учащимися.      Возникает методическая необходимость предварительно делить объект на определенные части, вычленяя в нем существенное и главное, использовать для изучения характеристик не сам объект, а его модель. Учебная модель — это объект со своей структурой и функцией, отображающий отдельные элементы структуры и функции оригинала. Отличительной особенностью этого метода изучения является наличие обязательного этапа сопоставления знаний, полученных учеником посредством модели и непосредственно при изучении самого объекта.

   Учебные модели физических объектов обладают рядом положительных дидактических свойств, использование которых в методике обучения физике позволяет:

-   выделять отдельные существенные элементы в изучаемом предмете;

-   представлять перед учащимися недоступные для обозрения узлы;

- наблюдать кинематику процессов в замедленном или ускоренном темпе и демонстрировать их действие необходимое число paз;

-   избирать в качестве объекта изучения такое явление, которое не может быть показано в школьных условиях;

-  использовать модели в качестве дидактического материала в лабораторных работах и демонстрационных опытах и др.

Назначение компьютерных моделей — специфическое воспроизведение структуры, характера, протекания, сущности изучаемого физического процесса или объекта (отразить пространственные свойства; отразить динамику изучаемых процессов, зависимости и связи). Компьютерная модель выполняет две основные функции: практическую (в качестве орудия и средства научного эксперимента) и теоретическую (в качестве специфического образа действительности, в котором содержатся     элементы логического и чувственного, абстрактного и конкретного, общего и единичного).

      С помощью компьютерного моделирования можно «овеществлять» и «визуализировать» учебные модели, описываемые математическими уравнениями, графической иллюстрацией изучаемого материала и решением графических задач.

      Компьютерное моделирование наилучшим образом приспособлено к восприятию учащимися на различных ступенях обучения и учитывает их возрастные и психологические особенности. При этом на каждой ступени обучения модель может быть варьируема по многим, наперед заданным признакам и характеристикам объекта. С одной стороны, учебная компьютерная модель может быть сведена до минимума характеристик и будет выражать элементарную сущность изучаемого явления; с другой — в требуемой мере усложнена до тех взаимосвязей и закономерностей, которыми обладает реальное явление или реальный объект.

     Компьютерная модель является источником учебной информации, если в ней имеются неизвестные для учащегося элементы (их понятийное содержание) или порядок расположения связей между элементами, указывающий причинность и закономерность их отношений, или не ясна структура изучаемой системы элементов.

    На первой ступени обучения физике различного рода модели применяют в основном как средство наглядности.

      Роль схематизации и идеализации объектов в процессе их познания особенно отчетливо просматривается при изучении физики в старшей  школе. Компьютерные модели здесь не только средство наглядности обучения, но и объекты теоретических исследований.

     Содержание физического образования определено учебными программами, построенными на базе Государственного образовательного стандарта, но оптимально они могут быть реализованы при условии организации учебного процесса с учетом конкретных условий и особенностей кабинета физики, наличия или отсутствия необходимых средств обучения, форм и методов деятельности учителя и учеников, современного контроля и коррекции этих методов, анализа и самоанализа результатов обучения. Общая цель учебного процесса по физике всегда конкретна в дидактических целях: образовательная, развивающая и воспитывающая.

       Обучение физике как процесс овладения знаниями предполагает наблюдение явлений, физический эксперимент, восприятие информации; анализ информации (выявление характерных признаков, сравнение, осознание, трансформация знаний, преобразование информации) и выход за пределы полученной в нем информации, запоминание, применение, оценка правильности действий, обобщений.

       Учитель, готовясь к каждому занятию, не только продумывает его цель, содержание материала, определяет наиболее эффективные методы и  приемы, но и учитывает условия проведения урока. Создание благоприятных условий для эффективности обучения — один из способов оптимизации учебно-воспитательного процесса.

    В понятие «условия» включается комплекс взаимосвязанных частей:

• материальные (помещение, в котором проходят учебные занятия; аппаратные средства для подачи учебной информации, заложенной в видеофильмах, диапозитивах, компьютерных пособиях и т.п.;  средства управления процессом обучения);

• гигиенические (санитарные условия, температурный, световой и воздушный режим);

• эстетические условия (оформление школы, учебных кабинетов и др.).

      Руководствуясь понятием «условия», технические средства информационных технологий следует относить к материальным условиям обеспечения учебного процесса, поскольку их основное назначение — подача информации и управление учебным процессом.

    В процессе обучения взаимодействуют четыре компонента: содержание образования; преподавание (деятельность учителя); учение (деятельность ученика); условия обучения.

    Если до недавнего времени педагоги уделяли внимание в основном первым трем компонентам, то с внедрением в учебный процесс общеобразовательной школы СНИТ условия становятся полноправной составной частью учебно-воспитательного процесса.

    Научно обосновано и доказано, что СНИТ опосредованно влияют на выбор форм и методов педагогической работы.

    Структура обучающей системы зависит от двух исходных компонентов — задач обучения и технологий их решения — и в настоящее время представляет собой совокупность взаимосвязанных инвариантных элементов: 1) обучаемые; 2) цели обучения; 3) содержание обучения; 4) процессы обучения; 5) организационные формы и методы обучения; 6) преподаватели и технические средства информационных технологий обучения.

     Первые три элемента этой структуры определяются задачами обучения, т.е. социальным заказом, последние три элемента характеризуют так называемую технологию обучения. Поставленная педагогическая задача решается с помощью адекватной этой зада че технологии обучения, целостность которой обеспечивается толь ко при условии взаимосвязи ее компонентов. Решение задачи обеспечивается наличием соответствующих организационных форм обучения, обучающего процесса, достаточной для решения поставленной задачи квалификации педагогов, современных технических средств высокого качества.

     Рациональная организация процесса обучения физике базируется на следующих требованиях, которые позволяют педагогу повысить коэффициент полезного действия обучаемого:

- определение дидактических и воспитательных целей урока и его значения в системе уроков по теме;

-  определение типа урока и его структуры;

-  связь урока с предыдущим и последующим уроками;

-  отбор и применение оптимальных сочетаний методов изучения нового материала;

-  обеспечение систематического и разнообразного контроля знаний учащихся;

-  наличие системы повторения и закрепления изученного материала;

-  использование демонстрационных и дидактических материалов;

-  применение ТСО;

-  создание возможности для обучаемых часть знаний и умений на уроке получать самостоятельно;

-  разнообразие типов уроков в системе уроков по теме;

-  учет индивидуальных возможностей обучаемого;

-  связь полученных знаний с жизнью и т. п.

    К этому можно добавить, что процесс обучения должен включать элементы творческого поиска, вызывать интерес к учению, воспитывать потребность в знании, быть эмоциональным, позволять по возможности менять виды деятельности учащихся, оптимально сочетать разнообразные методы обучения. Атмосфера на уроке должна быть доброжелательной и дарить радость активного творческого труда.

    Рассматриваемая система требований к организации урока действует и при применении СНИТ, но с изменением условий учебного процесса, опосредованно влияющих на выбор методов обучения.

    Часто случается так, что когда в кабинете физики появляются НИТ (компьютеры, видеопроекторы, аудиосистемы, автоматизированные комплексы и т. п.), учителя стремятся применять на уроках как можно больше аппаратных средств и перекладывают свои обязанности на компьютерную технику, не учитывая, что информационная перегрузка утомляет учащихся, сводит к минимуму коэффициент полезного действия обучения.

    Усвоение учебного материала на уроке определяется методическим умением педагога рационально использовать комплекс средств информационных технологий в обучении физике. Компьютерная, видеотехническая, телекоммуникационная аппаратура и другие средства не должны применяться ради формы. Внешняя увлекательность может даже помешать учащимся усваивать основной материал урока. Поэтому педагогу необходимо четко определить дозировку СИТ и их место на каждом этапе урока, чтобы он был насыщен учебно-воспитательным  содержанием, способствовал активному восприятию учащимися учебной информации.

    СИТ позволяют значительно сократить время на подготовку учителя физики к уроку и дают возможность выполнить ее качественно. В электронных базах центрального компьютера кабинета физики имеются тематическое и поурочное планирование, информация о месте нахождения учебных приборов к демонстрациям и операторным работам и справочные данные об их использовании. Компьютер «подскажет», какие дидактические средства можно применить на конкретном уроке, в какой последовательности и Определит их дозировку в зависимости от индивидуальных особенностей обучаемого и обучаемых в целом.

    Компьютер перерабатывает информацию о дифференцированном подходе к учащимся, осуществляет оперативный доступ к оценкам учащихся посредством электронного классного журнала, который  хранится в его памяти.

    Необходимость постоянного пополнения библиотек компьютерных программ, видео- и аудиозаписей не позволяют учителю физики работать «в замкнутой системе». Между педагогами, работающими в кабинетах физики, оснащенных современными средствами информационных технологий, идет постоянный обмен учебно-методической информацией по каналам телекоммуникаций или при личном контакте. Это приводит к естественной «фильтрации» обучающих средств, после которой остаются лучшие. Одновременно учителя обмениваются опытом по применению СИТ в учебном процессе и их эксплуатации.

    Коллективная деятельность влияет на развитие творчества учителя физики, потому что позволяет каждому педагогу выразить собственную позицию, стимулирует творческое отношение к работе.

     Педагогическая деятельность включает и совместную деятельность учителя и учащихся, в процессе которой складываются как учебно-деловые, так и межличностные отношения учителя и учащихся на основе сотрудничества, взаимного доверия, доброты, душевной щедрости. В процессе подготовки новых уроков учителю, начинающему использовать СНИТ, трудно учесть все их возможности. Практика показывает, что помощь учителю оказывают его ученики. Они составляют элементарные обучающие и контролирующие компьютерные программы по сценариям учителя; озвучивают физические диктанты и автобиографии ученых-физиков, лучшие записи сохраняются и используются много лет и не только в кабинете физики и др.

    Компьютерная техника дает возможность преподавателю физики творчески подходить к проведению уроков, составлять свои новые технологии обучения, использовать как готовые, рекомендуемые методистами, так и свои новые.

    Рассмотрим наиболее интересные аппаратно-программные средства информационных технологий, имеющиеся в современных  кабинетах физики общеобразовательных школ.

     Как отмечалось в гл. 3, кабинеты физики общеобразовательных школ все чаще стали укомплектовывать АКП, в состав которые входит микрокомпьютерная автоматизированная учебная система.

    Существуют различные варианты разработки МАУС, различающиеся по степени сложности управления учебным процессом и насыщенности учебной информацией. При их выборе следует придерживаться конкретных  педагогико-эргономических и технико-экономических условий, сложившихся в общеобразовательной школе, чтобы не вызывать ломки устоявшихся форм учебного процесса и обеспечить значительный педагогический эффект, не требуя переподготовки учителя физики.

     Достоинство МАУС — возможность сочетания работы обучаемого с учебной информацией и контроль за этой работой с помощью компьютера.

    Существенный недостаток традиционных средств обучения заключается в том, что они не могут проверить и, если необходимо скорректировать понимание обучаемым учебной информации, не способны воспринимать и комментировать ответы учащегося на заданные ему вопросы. В традиционной системе эта функция возложена на учителя и является наиболее трудоемкой. Именно с ней связаны сложности массового образования: правильность понимания и усвоения изучаемого материала должна контролироваться индивидуально в отношении каждого учащегося, причем достаточно часто (в идеале непрерывно).

    В отличие от традиционных средств обучения компьютер обладает способностью воспринимать ответы обучаемого и реагировать на них. Эта способность представляет собой его самое важное дидактическое преимущество. Если поручить компьютеру выполнение функции управления процессом обучения, сохранив за ним традиционное качество носителя учебной информации, то требуемый дидактический эффект будет обеспечен с минимальными затратами и соблюдением всех прочих требований, которым должна отвечать массовая система компьютерного обучения.

     На практике работа МАУС выглядит следующим образом. Минитерминалами, установленными на рабочих местах учащихся, управляет центральный компьютер, входящий в состав АКП.

    За каждым учащимся закрепляется персональная магнитная карточка. Перед началом работы ученик регистрируется, поэтому место нахождения рабочего места, за которое он садится, не имеет значения, поскольку номер карточки служит по существу идентификатором работающего за расположенным на этом рабочем месте минитерминалом.

    Диалог обучаемых с центральным компьютером, осуществляемый с помощью минитерминалов, заключается в том, что обучаемые запрашивают, а центральный компьютер выдает на мониторы минитерминалов учебные задания, после их выполнения обучаемые вводят полученные результаты и запрашивают реакцию на них компьютера. Компьютер, оценив совокупность результатов выполненных каждым обучаемым заданий, заносит результаты в электронный журнал. Компьютер может выполнять функции помощника ученика при выполнении задания, выдавая на мониторе минитерминала формулы или теоретический материал, который следует повторить обучаемому, и т.п.

    Наиболее ценным с точки зрения обучения физике является возможность использования МАУС в ходе выполнения лабораторного эксперимента. Для этих целей минитерминалы снабжены АЦП, которые принимают от датчиков и передают в центральный компьютер информацию о значениях физических величин.

     К сожалению, в последние годы интерес школьников к физике неуклонно снижается, поскольку отсутствуют мотивы к учению. Среди основных причин этого можно выделить следующие: будущая специальность, избранная школьником, не связана с физикой;   отсутствие интереса к предмету (нет новой информации); трудность и большой объем изучаемого материала; среда обучения не соответствует требованиям современного научно-технического прогресса и не обеспечивает научно-познавательную деятельность обучаемого.

    Одно из направлений перестройки обучения физике в общеобразовательной школе, отмечают дидакты-физики, — гуманизация. Гуманизация школьного курса физики, в частности использование музыки на уроках, позволяет дать мотивацию к учению во всех приведенных случаях.

    Американский психолог С.Смит (Университет шт. Техас, США), проводя многочисленные эксперименты с учащимися, установил, что, когда человек слушает негромкую музыку, память его активизируется. Ученый утверждает, что усваиваемость материала урока, сопровождаемого тихой музыкой, повышается на 100 %.

     Современная аппаратура, которой оснащают школьные кабинеты физики, включает аудиосистемы, воспринимающие музыкальные записи с лазерных дисков, магнитных пленок и хорошую акустическую систему.

    Методика использования музыки на уроках учитывает принцип доступности, возрастные и индивидуальные особенности учеником, повышает эмоциональное и психологическое состояние учащихся на уроке, что способствует лучшему усвоению материала курса физики.

    Попытки музыкального сопровождения уроков уже предпринимались, но носили в большинстве случаев случайный характер (например, музыкальные фрагменты), что часто не улучшало, а искажало урок. Современные технические средства, которыми оснащены кабинеты физики, позволяют проводить постоянное музыкальное сопровождение урока.

    Обычно музыка необходима при выполнении учащимися различного рода монотонных механических работ: переписывание лабораторных работ и практикумов, выполнения незначительных практических заданий. При этом большое значение имеет подбор музыкальных произведений. Как показывает опыт, лучше использовать пьесы и инструментальные композиции, повышающие эмоциональность этой части урока, например произведения французского композитора Д. Маруани «Волшебный полет».

    Однако применять музыкальные произведения можно не только при проведении перечисленных видов работ, но и на ypoках такого типа, как урок-лекция, урок-конференция, урок-беседа, урок контроля и проверки знаний учащихся. В зависимости от типа урока выбирают стиль музыки и ее место в уроке.

     На лекциях предпочтение следует отдавать чередованию минорных и мажорных тональностей, добиваясь тем самым психологического настроя учащихся в нужную для учителя сторону. Например, излагая интересные факты из жизни ученых-физиков, можно использовать музыку бельгийского гитариста Ф. Гойа, темп и стиль которой варьируются в широких пределах.

    На уроках-конференциях можно включать музыкальные паузы, отделяющие одно сообщение от другого. Музыкальная пауза позволяет повысить «боевой» настрой готовящегося к докладу, а остальным учащимся — перестроиться для восприятия сообщения по новой теме. В паузах можно использовать джазовые миниатюры А. Крола, А. Кузнецова.

    Во время контроля и проверки знаний учащихся музыка может служить сигналом для перехода от одного вида деятельности к другому. Учащиеся должны быть знакомы с определенным набором музыкальных фрагментов, являющихся сигналом для выполнения определенных действий. Например, одна музыкальная фраза означает: «Начинается самостоятельная работа — приготовьте листочки, подпишите их», другая: «Заканчивается контрольная работа, до звонка осталось 3 мин, сдавайте тетради» и т.д. В качестве фрагментов удобно использовать отрывки из произведений М.Дунаевского, написавшего музыку к фильмам «Мери Попинс, до свидания!», «Три мушкетера».

    Использование музыкального сопровождения на уроках физики повышает мобилизацию учащихся на выполнение того или иного вида учебной работы; усиливает интерес к предмету; воспитывает чувство прекрасного; повышает уважение к труду учителя; урок приобретает более стройную и эмоционально-мажорную форму.

    Следует иметь в виду, что использование музыки на уроках не должно наносить ущерб физическим знаниям, способствовать усилению значения несущественных и ослаблению значения существенных признаков и т.д.

    Применение музыки на уроках физики в известной степени способствует эстетическому развитию школьников, повышению культурного уровня, эрудиции, общению с духовными ценностями, накопленными многими поколениями.

       Современный учебный процесс практически немыслим без использования видеоматериалов. В этом случае учителю следует выполнять следующие методические рекомендации: перед просмотрим учебного видеофильма подготовить учащихся (вспомнить с и ими учебный материал, изученный ранее и необходимый для глубокого усвоения содержания фильма); во время просмотра видеофильма делать необходимые замечания своими репликами, направлять внимание учащихся; во время пауз организовывать работу в классе; после просмотра видеофильма класс должен две-три минуты отдохнуть, переключившись на другой вид работы; обсуждение полезно начинать с беседы о фильме, о том, что нового увидели в нем учащиеся; если перед фильмом учащимся были заданы вопросы,  то после просмотра необходимо провести беседу по ним, к  материалу фильма учитель должен обращаться и в дальнейшем, причем полезно напоминать школьникам об эпизодах фильма при изучении близких тем или разделов курса физики.

     Бурно развивающиеся в настоящее время технологии работы в телекоммуникационных сетях открыли новые возможности — дистанционное обучение физике. Создание программных продуктов, предназначенных для использования в процессе дистанционного  обучения, является на сегодняшний день одной из основных задач развития НИТ в образовании.

      Процесс создания электронного средства для дистанционного обучения начинается с определения задач, выполнение которых этот ресурс должен обеспечивать, разработки его модели (выявлении основных содержательных и технических блоков и объединении их в единую структуру) и определения технологических принципов его работы. Следующий шаг — преобразование созданной модели в реальную компьютерную программу, которая при необходимости может быть доработана. Завершается процесс разработкой методики использования нового электронного средства в процессе дистанционного обучения. Обязательным условием создания эффективного электронного образовательного средства является тесная связка заложенной в информационный ресурс методики обучения конкретному предмету и возможностей современных информационно-коммуникативных технологий на всех этапах разработки.

        Особенности физической науки, а также необходимость повышения уровня интереса к ее изучению делают особенно актуальном проблему создания электронных средств обучения для новой фор мы учебного процесса — дистанционного обучения физике.

      Применение в традиционном процессе обучения физике рабочих тетрадей на печатной основе (своеобразных сборников заданий, в которых выполнение задания осуществляется сразу за постановкой условия) доказало повышение эффективности процесса обучения. Базируясь на философском принципе преемственности, учитель физики московской школы-лаборатории № 363  С.А.Смирнов выдвинул и реализовал идею создания нового средства для дистанционного обучения физике — электронной рабочей тетради по физике — цифрового образовательного средства, позволяющего совместить зарекомендовавшие себя достоинства традиционной рабочей тетради на печатной основе и потенциал СНИТ.

    Это позволило расширить возможности обучающего и обучаемого в дистанционном процессе обучения физике и тем самым повысить его эффективность.

    Электронные средства обучения контролирующего и тестирующего типа создаются уже давно и достаточно активно разрабатываются в настоящее время. Как правило, они включают определенный набор заданий, соответствующим образом оформленных и требующих выбора правильного ответа из числа предложенных. Этот подход приводит к тому, что обучаемый остается один на один с  компьютером, что позволяет осуществлять самостоятельные занятия, однако не является перспективным для внедрения таких электронных средств в процесс дистанционного обучения.

    Электронное обучающее средство должно оказывать максимально возможную помощь педагогу в обучении, а учащемуся — в учении. За педагогом в дистанционном процессе обучения, как и в традиционном процессе обучения, должна оставаться ведущая роль — координирование и контроль этого процесса. Именно это надо учитывать при создании нового цифрового образовательного средства для дистанционного обучения — электронных рабочих тетрадей по физике.

    Координация и контроль процесса обучения в информационном обществе становятся менее ограниченными и более гибкими. Благодаря разработкам в области телекоммуникационных технологий,  появилась возможность передавать информацию от обучающего к обучаемому (и наоборот) практически мгновенно, вне зависимости от расстояния между ними.

    В традиционном учебно-воспитательном процессе координирование и контроль обучения по рабочим тетрадям на печатной основе осуществляются учителем посредством выдачи задания уча-имея и последующей проверки их выполнения. Этот принцип применен и в электронной рабочей тетради по физике, предназначенной для дистанционного обучения. Современные возможности информационных и коммуникационных технологий позволяют это делать, причем значительно увеличивая эффективность данного процесса путем усиления в нем роли педагога на уровне реализации принципов личностно-ориентированного обучения. В структуру модели электронной рабочей тетради по физике заложены:

-  база данных обучаемого (содержит сведения об обучаемом, текущее задание и информацию, вводимую при его выполнении и проверке);

-  база данных с упражнениями («банк упражнений»);

-  база знаний (электронный справочник по физике);

-  архивные БД (содержат уже выполненные и проверенные упражнения);

-  СУБД;

-  компьютерная физическая лаборатория (содержит компьютерные модели физических явлений и процессов);

-  информационный канал связи (обеспечивает возможность дистанционного обмена информацией между обучающим и обучаемым).

Содержательный блок электронной рабочей тетради по физике «банк упражнений») составляют упражнения, соответствующие  содержательному минимуму Государственного стандарта общего образования. Дифференцирование упражнений осуществляется:

по типу: вопрос или задача;

по принадлежности к определенной теме, изучаемой в рамках образовательной программы (например, электростатика, основы молекулярно-кинетической теории газов и т.п.);

по степени сложности: низкая, средняя, высокая.

    Каждое упражнение содержит указание, позволяющее направить мыслительную деятельность учащегося в определенное русло. По желанию педагог может исключить возможность использования указаний для наиболее успевающих учеников. Содержание «банка упражнений» может быть изменено педагогом путем добавления новых, изменения или удаления существующих упражнений. Принцип наглядности реализуется с помощью присоединения к упражнениям рисунков, масштаб которых меняется по мере индивидуальных потребностей пользователя (обучающего или обучаемого), а также анимационных моделей, позволяющих обучаемому составить наиболее полную картину об упражнении.

    Процесс дистанционного обучения с помощью электронной рабочей тетради начинается с создания учителем электронной об ложки рабочей тетради конкретного учащегося, на которой должны быть указаны его фамилия, имя, отчество, класс, адрес электронной почты, а также пароль, после ввода которого становятся доступными функции, предназначенные только для педагога. Созданная таким образом электронная обложка будет существовать, пока не возникнет необходимость внесения изменений или ее удаления. Эта функция закреплена за педагогом.

    Следующим шагом является конструирование учителем задания для учащегося. Этот процесс заключается в отборе упражнений из «банка  упражнений», предназначенных для выполнения учащимся. Отбор осуществляется с учетом индивидуальных особенностей учащегося. Современные компьютерные технологии помогают учителю производить быстрый поиск необходимых упражнений. Количество упражнений в задании определяется учителем таким образом, чтобы обеспечить оптимальный темп контроля деятельности учащегося. При необходимости учитель может добавить комментарии к упражнениям, координируя  деятельность учащегося.

       Созданное учителем задание передается учащемуся. В компьютерном инструментарии, обеспечивающем работу электронной тетради, для этого предусмотрено два способа: 1) через Интернет (ни
средством электронной почты); 2) через локальную внутришкольную сеть (создается специальная папка на сетевом диске, в которой хранятся файлы заданий). Предусмотрен и третий способ  через внешние носители информации (диски, флэш-карты), но
этот способ не столь актуален при дистанционной форме обучения.

       Выполнение полученного от учителя задания осуществляется учащимся по аналогии выполнения его в традиционной рабочей тетради на печатной основе. Учащийся может вести записи в специально отведенных для этого электронных графах либо выполнить задание на бумажном носителе (обычном листе), а затем, трансформировав его в электронный вид с помощью сканера, присоединить к определенному электронному упражнению. Создание рисунков и графиков производится во встроенном в программу графическом редакторе, разработанном специально для создания рисунков и графиков физической тематики, либо в любом другом графическом редакторе или, как уже было указано, на бумажном листе (этот метод требует наличия сканера). Вставка и редактирование формул осуществляются с помощью программы MathType. Эта программа является наиболее удобной, так как позволяет  присваивать каждому специальному математическому символу свою «горячую клавишу», что значительно ускоряет процесс ввода формул.

       Для облегчения выполнения заданий в программную оболочку встроены: калькулятор, таблицы физических величин и справочник по элементарной физике, позволяющий учащемуся быстро находить необходимую информацию.

     Процесс дистанционного обучения с применением электронной рабочей тетради сопровождается активным диалогом учителя и учащегося, что обеспечивается встроенной функцией под названием «Диалог обучающего с обучаемым». Она позволяет учителю и учащемуся добавлять свои комментарии к каждому из упражнений. Со стороны учащегося это могут быть вопросы или предложения по решению задачи, комментарии к упражнению. Учитель, в свою очередь, отвечает на поставленные учащимся вопросы, делает замечания по выполненному упражнению, дает комментарии по его выполнению.

     Следующий этап в процессе обучения с помощью электронной рабочей тетради по физике состоит в контролирующей функции учителя. Получив выполненное задание от учащегося, учитель проверяет его, используя другой цвет шрифта. Оценка за выполненное задание может быть выставлена по любой оценочной шкале, в том числе введена буквенными символами (например, «Хорошо» или «Молодец»), но следует придерживаться единой выбранной педагогом обычной или дистанционной школ оценочной системы. Информация об оценке сохраняется в электронном дневнике, встроенном в программную оболочку. Напротив каждой оценки указывается тема задания, кроме того, при необходимости учитель может добавлять свои замечания.

    Проверенное учителем задание передается с помощью информационного канала связи учащемуся. Анализируя его, учащийся делает соответствующие выводы, увеличивая багаж своих знаний. Выполненные и проверенные задания сохраняются с возможностью их последующего просмотра и анализа. Для этого в электронной рабочей тетради имеется так называемый архив заданий, представляющий собой базу данных на компьютерах учителя и ученика. После выставления оценки задание автоматически переходит в архив и сохраняется там, пока педагог или обучаемый не примет решение очистить архив.

    Принципиальным отличием электронной рабочей тетради от традиционной является встроенная виртуальная компьютерная физическая лаборатория. Это позволяет включать в «банк упражнений» экспериментальные задания, выполнение которых развивает экспериментальные способности учащихся, а также значительно повышает уровень усвоения ими физических знаний.

     В заключение можно отметить, что использование СНИТ в учебном процессе по физике сделало его более насыщенным, творческим и красивым.

    На первый взгляд может показаться, что использование СНИТ делает работу учителя «легкой» — вставил лазерный компакт-диск или включил обучающую компьютерную программу и дело сделано. Но это абсолютно неверно, и те учителя, которые попытаются переложить на автоматизированные технические средства хотя бы часть своих педагогических функций, очень быстро разочаруются в них.

    Во-первых, подготовка учебного процесса с использованием комплекса СНИТ более сложна, чем может показаться сначала, и требует не только умения пользоваться современной техникой, но и творчества. Нельзя слепо копировать предлагаемые автоматизированными техническими  комплексами разработки уроков даже в том случае, если они подготовлены непосредственно учителем. Не обходимо помнить, что обучение будет проводиться с новым составом учащихся, их индивидуальные особенности, как правило, заложены в эти комплексы, и их следует учитывать при подготовке к уроку.

    Во-вторых, положительной стороной учебного процесса, проводимого с использованием СНИТ, является глубокое индивидуальное обучение. Учитель должен уметь правильно «руководить» СВО ими техническими помощниками. Например, проводя с группой учащихся физический диктант через головные телефоны, не следует забывать, что в это время часть учеников обучается с помощью компьютерных минитерминалов, а остальные, предположим, выполняют кратковременную самостоятельную практическую работу.  Учителю сложно охватить одновременно все виды деятельности учащихся, поэтому к проведению уроков активно привлекается лаборант, а также учащиеся из специальной группы «помощников лаборанта». В каждом классе таких учеников должно быть не менее двух. В их функции входит умение быстро сменить лазерный компакт-диск, найти и запустить компьютерную программу,  организовать выдачу лабораторных приборов, выполнить видеозапись фрагмента урока и т. п.

     В-третьих, одни и те же СИТ могут быть применены на различных этапах учебного процесса. Правильно определить функции современных  информационных средств на том или ином этапе обучения может только сам учитель.

1.5. Применение информационных технологий в учебном физическом эксперименте

Учебный физический эксперимент представляет основную часть содержания школьного курса физики. Это естественно, так как физика — наука экспериментальная. Эксперимент служит источником знаний, дает основу для теоретического анализа явления. Учебный эксперимент приближает учащихся к жизни и усвоению законов природы. Характер учебного эксперимента определяем и целями и задачами обучения физике. В настоящее время система учебного физического эксперимента, применяемая в российских школах, включает следующие его виды: демонстрационные опыты, фронтальные лабораторные работы,  кратковременные практические работы, физический практикум, экспериментальные задачи

   Демонстрационные опыты проводятся учителем или лаборантом под руководством учителя для всего класса. Как правило, они выполняются для получения учащимися правильных начальных представлений об изучаемых физических явлениях и процессах, знакомят с устройством и действием технических приборов и установок, иллюстрируют технические применения физически законов, а также готовят учащихся к другим видам учебного эксперимента.

    Фронтальные лабораторные работы (называемые так потому, что все  ученики выполняют одну и ту же работу, т.е. работают одним фронтом) выполняются всеми учащимися класса одновременно по одной и той же теме с одинаковым оборудованием. Также лабораторные работы способствуют приобретению прочных знаний, вырабатывают простые практические умения и навыки пользования простейшими физическими приборами.

     Кратковременные практические работы выполняются учащимися самостоятельно по указанию учителя. Они занимают, как правило, очень малую часть урока, но позволяют конкретизировать, совершенствовать, развивать полученные ранее знания. Их проводят с учетом индивидуальных способностей учащихся.

    Физические практикумы являются более высоким уровнем самостоятельных практических работ. В практикумах учащиеся повторяют, углубляют и систематизируют основные вопросы пройденного курса. Они развивают и совершенствуют полученные на фронтальных и кратковременных работах практические умения и навыки и приучаются к самостоятельному экспериментированию. Учащиеся знакомятся с более сложными техническими приборами и оборудованием, с методами исследования и определения физических величин, учатся самостоятельно оценивать и обобщать результаты наблюдений. В практикуме ставятся широкие комплексные учебные задачи, требующие наибольшей полноты технических знаний и практических умений.

     Экспериментальные задачи формируют умения решать практические, встречающиеся в жизни задачи, расширяют возможности учебного  физического эксперимента в выработке навыков использования приборов для определения физических величин и их зависимостей. У учащихся вырабатываются умения подобрать оборудование для задачи, разработать простейшую экспериментальную установку, снять показания приборов и проанализировать полученный результат.

     Внеклассные (домашние) экспериментальные работы выполняются учащимися вне урока в домашних условиях или на физических кружках, вечерах, конференциях. Для их проведения, как правило, используется самодельное оборудование, приспособления и материалы, применяемые в быту.

     Что нового вносят СНИТ в реализацию перечисленных видов учебного физического эксперимента?

     Демонстрационный эксперимент. При подготовке занятий с использованием демонстрационного эксперимента учитель решает вопрос оптимального выполнения опыта, т. е. выясняет: как с минимальной затратой времени на демонстрацию опыта и опорой на дидактические принципы добиться его максимального воздействия па учащихся. При этом решаются вопросы: в какой последовательности выполнять опыт? Как выделить главное в опыте? Как подвести учащихся к предполагаемому выводу? В каком темпе провопить опыт? Сколько раз его повторить? Как комментировать демонстрацию? и т.д. В этой работе учителю поможет компьютер. В памяти компьютера имеется банк демонстрационных опытов, в котором представлена технология проведения практически всех стандартных опытов, применяемых в школьном демонстрационном эксперименте. Банк имеет открытую структуру и может в любой момент быть пополнен описаниями новых демонстраций, как разработанных самим учителем, так и заимствованных из научно-методических пособий.

     Эффективность опыта достигается техникой проведения демонстрации, которая характеризуется наглядностью, видимостью, достоверностью, убедительностью, надежностью, эстетичностью, безопасностью и другими требованиями. В значительной степени облегчаются возможности достижения этих требований при использовании СНИТ. Проиллюстрируем это на примере.

     Комплект аппаратно-программных средств, предназначенный для работы с видеоизображением, позволяет отказаться от традиционного проекционного теневого оборудования типа ФОС. Изображение через цифровую видеокамеру подается в компьютер для «запоминания». Далее это изображение либо пересылается через видеопроекционную аппаратуру на большой проекционным экран, либо может быть частично изменено, дополнено различными надписями по желанию учителя и затем сохранено в памяти компьютера для последующих демонстраций. Учитель может по степенно создавать собственный банк статических изображении и в дальнейшем использовать их на уроке. При желании можно применять уже готовые статические изображения с CD-ROM,  но это не так интересно, как «живой» опыт, причем физические paзмеры эксперимента не играют никакой роли. Кроме того, в ходе проведения эксперимента изображение можно наблюдать как в динамике, так и в статике, т.е. динамическое изображение можно останавливать для подробного рассмотрения отдельных элементов опыта. Этапы опыта можно, если это нужно, представить рядом последовательных статических картинок. Длительный процесс «можно сократить по времени» с помощью наложения изображений. Например, явление диффузии в жидкостях протекает медленно, за один урок учащиеся не успевают заметить протекание этого явления, но если процесс записать в память компьютера, естественно при многодневном периодическом наблюдении учеников, то можно будет рассматривать его «ускоренное протекание» на большом проекционном экране. Кроме того, различные статические изображения можно накладывать одно на другое, при этом производить их монтаж. Например, что-то переносим.  удалять с изображения.

    Специальное программное обеспечение дает возможность  рисовать на видеоизображении как на неподвижном, так и на подвижном. Дополнительный эффект состоит в том, что все это можно снимать во время урока перед глазами учащихся и тут      же просматривать.

    Приведем фрагмент демонстрационного эксперимента по теме «Поверхностное натяжение жидкости». Обычно для этого используют чувствительный проекционный динамометр, штатив, проекционный аппарат, плоскопараллельную кювету, мыльный раствор и фрагмент учебного фильма «Поверхностное натяжение».

    Как можно продемонстрировать этот опыт с помощью СНИТ?

    На столе учителя собрана установка для демонстрации поверхностного натяжения. С помощью цифровой видеокамеры изображение установки транслируется через компьютер и видеопроектор на большой проекционный экран. Несколько раз демонстрируется разрыв поверхностной пленки жидкости. После этого изображение останавливается и на нем по компьютерной программе одним цветом выделяются два поверхностных слоя, другим цветом — сила поверхностного натяжения. Шкала динамометра хорошо видна на экране, при этом снимаются показания. Размеры рамки заложены в компьютер, прямо на экране получается вывод формулы для вычисления поверхностного натяжения. Весь эксперимент проводится, как говорят, «не сходя с места», т.е. учитель не бегает от лабораторного стола к проекционному аппарату, а затем к кинопроектору, чтобы показать фрагмент учебного фильма. Еще меньше времени потребуется для просмотра этой демонстрации, записанной в памяти компьютера.

     Кроме приведенного примера, используя цифровую видеокамеру, можно демонстрировать опыты с плазмой в электрическом и магнитном полях, броуновское движение, треки элементарных частиц в учебной камере Вильсона и многие другие эксперименты. Эффективна съемка фрагментов демонстрации, которые можно просматривать учащимся на дополнительных занятиях. Между учителями физики возможен обмен видеозаписями и т.п.

        Приведем другой пример, иллюстрирующий расширение возможностей демонстрационного физического эксперимента с помощью СНИТ.

   В состав автоматизированных комплексов, которыми оснащены современные кабинеты физики общеобразовательных школ, входит автоматизированная метеостанция с приемной антенной спутниковых изображений. Основные элементы станции: приемная антенна,  датчики (температуры, влажности, атмосферного давления, скорости и направления ветра, количества осадков, радиационного фона), накопитель информации со специальным компьютерным обеспечением.

      Приемная антенна настроена на искусственные спутники Земли из серии «Метеор» — метеорологическая космическая система, предназначенная для регулярного сбора метеоинформации. Спутники этой системы обеспечивают получение и передачу на Землю трех видов метеоинформации:

-  передача по телеканалу изображения оболочного покрова на дневной стороне Земли;

-  получение изображения поверхности Земли и облачности в инфракрасных лучах на дневной и ночной сторонах;

-  радиационные измерения.

   Помимо российских спутников системы «Метеор» станция принимает сигналы и от спутников США аналогичной системы.

    Для удобства приема информации в компьютерную программу заложена карта мира с траекториями и местом нахождения каждого спутника в данный момент времени. Прием происходит при подлете спутников к зоне действия принимающей системы, и поэтому, используя карту мира, нет необходимости постоянно находиться у компьютера, а можно заранее рассчитать, когда тот или иной спутник окажется в зоне приема. Накопитель постоянно собирает метеоинформацию, объем его памяти позволяет накапливать метеоинформацию за один год непрерывного приема.

    При движении спутника в зоне приема в компьютер поступает не только изображение Земли и облачного покрова в разных вариантах, но и угловая высота спутника в данный момент времени, максимальное и минимальное удаление от Земли, период его обращения вокруг Земли и другая информация. С изображением поверхности Земли можно работать, выделяя крупные фрагменты, редактируя их.

    По данным, поступающим из космоса, ученики решают экспериментальные задачи следующего типа: исследование траектории движения спутника, определение скорости, координат и времени движения спутников, времени, оставшегося до приема с того или иного спутника, оценка радиационной ситуации в разных точка) Земли. При просмотре картинок изображения Земли в инфракрасном излучении можно проследить степень нагрева участков Земли причем внимание обучаемых концентрируется на том, что большие мегополюса имеют явно большую температуру. Полученные данные можно использовать в экспериментальных исследованиях термодинамических состояний атмосферы.

    С помощью аппаратуры станции учащиеся, находясь в классе, могут соприкасаться со всем миром, видеть не только узкие проблемы «мир из окна школы», но и «мир из космоса» и участвовать  в его познании, а это уже выход на другой уровень — на уровень миропредставления и глобального мышления.

    В школьном курсе физики демонстрации — не дополнен и словесному изложению, а его неотъемлемая, органичная часть. Демонстрации нельзя считать только формой преподавания, они составляют значительную часть содержания школьного курса физики.

Как правило, все основные физические явления должны демонстрироваться на опыте. Правда, не всякое явление можно продемонстрировать на уроке, и тогда приходится привлекать для показа демонстрационные компьютерные программы, на которых представлено это явление, или применять модельный компьютерный эксперимент.

     Используя возможности компьютерной и видеопроекционной техники, учитель может создать на большом проекционном экране виртуальную модель демонстрационной установки или физического явления, которые реально в школьных условиях реализовать нельзя.

     Иногда учителя физики дополняют натурные эксперименты демонстрациями компьютерных моделей для более подробного пояснения физических объектов, процессов и явлений, происходящих в ходе эксперимента. Компьютерное моделирование позволяет устранить основной недостаток натурного изучения явлений, процессов и объектов, который заключается в трудности вычленения и обособления элементов целостной структуры и ее функции. Натурный объект реально осязаем только с внешней стороны. Не всегда необходимые для изучения характеристики и признаки физического явления, процесса или объекта при натурном изучении поддаются обособленному выделению, а следовательно, и быстрому усвоению учащимися. Возникает методическая необходимость делить объект на определенные части, вычленять в нем наиболее существенное и брать для характеристики не сам объект, а какой-то другой, наделенный несколькими характеристиками объекта, — его модель, т. е. учебную компьютерную модель — объект со своей структурой и функцией, отображающий отдельные элементы структуры и функции оригинала. Когда изучаемый объект заменяют его компьютерной моделью, являющейся носителем одной или нескольких характеристик оригинала, учащиеся имеют дело не с оригиналом, а с моделью. Такое изучение называют модельным. Учащиеся, взаимодействуя с моделью, получают знания об объекте изучения. Но следует помнить, что отличительной особенностью лого способа изучения является наличие обязательного этапа сопоставления знаний, полученных учащимися посредством модели непосредственно с самим натурным объектом. Поэтому модельный эксперимент должен лишь усиливать натурное изучение физических явлений, а не заменять его. Особенно на начальных этапах знакомства с физическими явлениями эксперимент должен быть, по возможности, реальным, а не модельным. Однако сложность восприятия реального эксперимента часто связана с задержкой и представлении результатов обработки эксперимента, в течение которой теряется внимание наблюдателя. Применение компьютера существенно сокращает эту задержку и позволяет демонстрировать явление и результат обработки полученных данных  практически синхронно. При этом одновременное наблюдение эксперимента и промежуточных графических результатов опыта существенно повышает наглядность и облегчает запоминание и интерпретацию результатов.

      В методическом отношении демонстрации делают всякое явление более ясным для учащихся, чем при словесном его описании, и содействуют более легкому усвоению и запоминанию фактов. Хорошо поставленная демонстрация повышает интерес учащихся, действуя не только на их умственную, но и эмоциональную деятельность, на их воображение. Поэтому применение СНИТ должно обогащать не только учебно-методическое содержание демонстрации, но и ее эстетическую форму.

        В традиционных методических подходах школьные демонстрационные опыты по физике носят преимущественно качественный характер. Количественные расчеты, проводимые на основании данных опыта, в традиционных методиках отнимают слишком много времени и внимания учащихся и, как правило, не применяются в демонстрационном эксперименте.

     Фронтальный лабораторный физический эксперимент. В школьной практике встречаются два варианта проведения фронтальных лабораторных работ: иллюстративным приемом при устном руководстве учителя и по письменному руководству с использованием инструкции, представленной на бумажном носителе. Использование варианта зависит в основном от степени подготовленности учащихся к выполнению работы по данной теме.

         При устном руководстве учитель выполняет некоторые записи на доске (тема работы, перечень оборудования, таблицы). Проделывает вначале работу сам перед учащимися или выполняет ее одновременно с ними. Заканчивается работа итоговой беседой, в результате которой делается вывод о результатах, полученных учащимися.

          Письменное руководство подразумевает индивидуальное выполнение лабораторной работы учащимися. Выводы о полученных результатах учащиеся делают самостоятельно.

     Кратковременные практические работы в отличие от фронтальных лабораторных работ базируются на индивидуальном подходе в обучении. Сильным ученикам дают более сложные задания. Продолжительность работ, как правило, от 10 до 15 мин в зависимости от сложности. На один урок не рекомендуется выдавать задание более чем пяти ученикам.          Задания у всех должны быть разными, хотя комплекты приборов могут быть одинаковыми. Учащиеся по выбору учителя получают набор приборов и по письменной инструкции выполняют работу.

     Фронтальный лабораторный эксперимент находится в органической связи с изучаемым учебным материалом и ставится на протяжении всего учебного года. Этот вид эксперимента применяется тогда, когда учащиеся еще не имеют твердых, сформировавшихся знаний по изучаемому материалу и достаточного опыта работы с приборами.

     Физические практикумы проводятся после того, как учащимися накоплены достаточные знания и они в состоянии применять более сложные приборы, обосновывать целесообразность их использования для данного опыта, способны ориентироваться в методах измерений физических величин и расчетах погрешностей.

      Успешное и продуктивное выполнение сложных работ физического практикума требуют предварительной домашней подготовки. При традиционном подходе по каждой работе практикума физический кабинет должен располагать таким количеством письменных руководств (инструкций), чтобы их можно было выдать на дом каждому ученику, готовящемуся к данной работе, одно руководство остается в кабинете. Предварительная домашняя подготовка учащихся к работе предусматривает изучение руководства и написание плана работы по заданиям руководства. Обычно план включает номер и название работы, перечень оборудования, таблицы для записи значений измеренных  величин и т.п. Предварительная домашняя подготовка позволяет учащимся сразу же приступать к экспериментальной части работы.

       СНИТ изменяют организационные подходы в домашней подготовке к работам физического практикума. Инструкции по подготовке к работе оформляются в цифровом виде на внешних электронных носителях (магнитных или оптических дисках) или рассылаются учащимся по электронной почте. Домашнее написание плана работы учащиеся также готовят в цифровом виде. Непосредственно перед выполнением работы в классе с учащимися проводят компьютерное тестирование, по результатам которого учитель принимает решение о допуске ученика к выполнению работы.

      Вычислительный эксперимент. Вычислительным называется эксперимент, объектом исследования в котором является модель. Вычислительный эксперимент представляет наибольший интерес с точки зрения реализации творческих возможностей обучаемого, а также для исследования в работах физического практикума процессов, недоступных для натурного экспериментирования в школьных условиях.

        На первом этапе учащиеся моделируют физическое явление, пытаясь отразить в математической модели основные свойства явления; на втором — выполняется разработка вычислительного алгоритма; на третьем — составляется компьютерная программа, реализующая компьютерную модель. Наиболее ответственным является первый этап, так как от полноты отражения в модели свойств изучаемого явления зависит правильность результата эксперимента.

       Математическая модель включает уравнения, описывающие физическое явление, и дополнительные условия, устанавливающие границы их применения, определяемые необходимой вычислительной точностью проведения эксперимента. Увеличение числа граничных условий усложняет математическую модель, недоучет может привести к искажению реальности. Поэтому следует стремиться к оптимизации, позволяющей достичь результата, в полной мере отражающего свойства реального физического явления.

       Практика показывает, что при традиционных подходах к выполнению работ физического практикума лишь отдельные учащиеся успевают к концу занятий полностью оформить отчет по работе. Это связано с необходимостью выполнения большого количества рутинных расчетов. Применение компьютерной техники полностью решает данную проблему.

        Отчеты учащихся могут быть выполнены в цифровой форме и переданы преподавателю на электронных носителях либо непосредственно выгружены в центральный компьютер АКП «Физика». Поэтому учителю не нужно сразу же после занятий собирать тетради для проверки, центральный компьютер четко отслеживает аккуратность и правильность оформления электронных отчетов учащихся и помогает учителю проверить экспериментальные данные у каждого обучаемого. Такая организация дает возможность своевременно оценить проделанную учащимся работу и в случае необходимости провести соответствующую работу над ошибками с отдельными учениками.

       Экспериментальные физические задачи. При организации решения таких задач компьютер позволяет осуществить подбор оборудования и получение экспериментальных данных, используя компьютерную измерительную систему с комплектом датчиков физических величин. Кроме того, компьютер учащиеся используют на этапе разработки теоретического пути проведения эксперимента задачи, а также на конечном этапе при анализе результатов эксперимента и поиске дополнительных способов решения задачи.

       Внеклассное (домашнее) экспериментирование. К сожалению, промышленно выпускаемые устройства сопряжения экспериментальных установок с компьютером имеют высокую стоимость и поэтому в настоящее время еще не каждому ученику доступны, а предлагаемые радиолюбителями простые и дешевые схемы требуют высокой квалификации для их изготовления. Учителя физики могут рекомендовать учащимся использовать стандартные компьютерные устройства ввода — вывода: мышь, джойстик, звуковая карта, WEB-камера, LPT- и СОМ-порты.

        Для домашнего изучения учащимся можно рекомендовать распространенные программные средства, снабженные иллюстрациями  моделей физических явлений или непосредственно предоставляющие возможность виртуального моделирования физических явлений, процессов и объектов. Например, используя программу «Открытая физика 1.0. Ч. 2», учащиеся могут дома проводить виртуальные эксперименты по электричеству, меняя структуру схем, параметры электронных элементов и т.д.

       В заключение обзора возможностей применения СНИТ в учебном физическом эксперименте необходимо отметить появление  нового типа лабораторного оборудования, предназначенного для реализации лабораторного эксперимента в дистанционном обучении. Российскими специалистами в области дидактических основ учебной техники созданы автоматизированные лабораторные комплексы удаленного доступа. Технология обучения с применением таких комплексов базируется на дистантном доступе обучаемого в реальном времени к лабораторной установке. Управление лабораторным оборудованием выполняется обучаемым посредством компьютерных интерфейсных систем. Информация о ходе эксперимента и его результатах поступает к обучаемому в реальном времени, и обучаемый может влиять на ход проведения эксперимента, находясь на значительном расстоянии от лабораторной установки. Достоинством дистанционных технологий реализации лабораторного эксперимента является возможность привлечения к реальному эксперименту обучаемых, находящихся в отдаленных местах жительства. Особенно актуально это для России, в которой имеется большое число учебных заведений, удаленных на значительные расстояния от крупных учебных центров. Лабораторные установки удаленного доступа применяют также при изучении протекания процессов в зонах, куда доступ обучаемого невозможен или запрещен: вредные химические процессы, учебные экологические исследования загрязненных объектов и т.п.

        Таким образом, с помощью СНИТ стало реальным введение в процесс обучения физике принципиально нового учебного эксперимента, предоставляющего учителю и учащимся возможности: дистанционно управлять объектами реальной действительности, визуализировать ранее недоступные физические процессы, автоматизировать процесс обработки полученных результатов, прогнозировать ход протекания физического процесса, осуществлять проверку достоверности прогноза и т. п.

Глава 2 Возможности использования современных информационных технологий при изучении разделов «Атомная физика и Физика Атомного ядра» в школьном курсе физики

2.1. Тематический план уроков разделов физики «Атомная физика и Физика атомного ядра»

За основу были взяты материалы из учебной и методической литературы, из электронных источников сети Интернет, цифровых ресурсов на оптических дисках и текущих рабочих материалов учителя физики средней школы №2  Ивановой Анны Михайловны.

Дисциплина «Физика» в этой школе изучается 2 часа в неделю.

Учебник Г.Я. Мякишев  Б.Б. Буховцев  Физика 11 класс 2010г. Данные темы представлены в учебнике (стр. 272-333. Параграф 93-113)

Поэтому рабочий план этих разделов был составлен на 8 учебных часов.

  1.  Строение атома. Опыт резерфорда
  2.  Квантовые постулаты бора
  3.  Лазеры
  4.  Строение атомного ядра. Ядерные силы
  5.  Энергия связи атомных ядер
  6.  Закон радиоактивного распада
  7.  Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерные реактор
  8.  Применение ядерной энергии. Биологические действия радиоактивных излучений

План

2.2. Содержание уроков по разделам «АФ и ФАЯ» с возможностью представления процессов и явлений с помощью виртуальных моделей

Урок 1. Строение атома. Опыт Резерфорда

Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных (1903 г.) принадлежит Дж. Томсону. Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом, примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.

Рисунок 1.

Модель атома Дж. Томсона

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ(скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 2

Рисунок 2.

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Его представления находились в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рисунок 3.

Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Рисунок 4.

Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Рисунок 5.

Планетарная модель строения атома.

Компьютерная программа (Рис. 5) представляет собой демонстрацию по теме «Строение атома». Приводится информация о классическом опыте Резерфорда по зондированию атома с помощью α-частиц, приводятся примеры строения атомов шести различных химических элементов.

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах.

Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но все же значительно меньше скорости света).

α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Рисунок 6.

Опыт Резерфорда.

Данная компьютерная модель демонстрирует опыт Резерфорда по определению строения атома.

Пучок альфа-частиц из источника излучения пропускается через золотую фольгу и попадает на круговой экран. Можно убедиться в том, что основная масса частиц, проходящих через фольгу, отклоняется на небольшой угол, между тем отдельные частицы могут отклоняться на значительные углы. Обратите внимание, что для наблюдения частиц на экране выделяются частицы, лежащие в горизонтальной плоскости, хотя отклонение может происходить на произвольный угол.

С помощью бегунка в нижней части экрана можно менять толщину фольги, при этом доля частиц, отклонившихся на большие углы, меняется. Это связано с тем, что при увеличении длины пробега частиц в веществе вероятность столкновения с ядром повышается.

Урок 2. Квантовые постулаты Бора

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, – это попытка применения классических представлений о движении тел к явлениям атомных масштабов. Она оказалась несостоятельной. Классический атом неустойчив. Электроны, движущиеся по орбите с ускорением, должны неизбежно упасть на ядро, растратив всю энергию на излучение электромагнитных волн (рис. 1).

Рисунок 1.

Неустойчивость классического атома

Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома в 1913 году сделал выдающийся датский физик Н. Бор. Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения атомных систем следует отказаться от многих представлений классической физики. Он сформулировал постулаты, которым должна удовлетворять новая теория о строении атомов.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

Этот постулат находится в явном противоречии с классической механикой, согласно которой энергия движущегося электрона может быть любой. Он находится в противоречии и с электродинамикой, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию (рис. 2). Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии En < 0. При En ≥ 0 электрон удаляется от ядра, т. е. происходит ионизация. Величина |E1| называется энергией ионизации. Состояние с энергией E1 называется основным состоянием атома.

Рисунок 2.

Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

hνnm = En – Em,

где h – постоянная Планка. Отсюда можно выразить частоту излучения: 

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит от характера движения электрона.

Теория Бора при описании поведения атомных систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель атома Резерфорда в теории Бора была дополнена идеей о квантовании электронных орбит. Поэтому теорию Бора иногда называют полуклассической.

Рисунок 3.

Модель. Постулаты Бора.

В модели (рис. 3) изображены первые шесть орбит электронов в атоме водорода. С помощью кнопки "Поглощение" можно осуществлять переход электрона на следующий энергетический уровень. С помощью кнопки "Испускание" можно наблюдать переходы, сопровождающиеся испусканием дискретных спектральных линий. Каждая серия спектральных линий носит имя ее открывателя; из всех серий лишь часть серии Бальмера лежит в видимой области спектра. Виды серий и соответствующие им переходы можно посмотреть с помощью списка в нижней части окна.

Урок 3. Лазеры

Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения, обладающие целым рядом уникальных свойств. Создание лазеров явилось одним из самых замечательных достижений физики второй половины XX века, которое привело к революционным изменениям во многих областях науки и техники. К настоящему времени создано большое количество лазеров с различными характеристиками – газовых, твердотельных, полупроводниковых, излучающих свет в различных оптических диапазонах. Лазеры могут работать в импульсном и непрерывном режимах. Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до 1012–1013 Вт (в импульсном режиме). Лазеры находят широкое применение в военной технике, в технологии обработки материалов, в медицине, оптических системах навигации, связи и локации, в прецизионных интерференционных экспериментах, в химии, просто в быту и т. д. Хотя первый оптический квантовый генератор был построен сравнительно недавно (1960 г.), современную жизнь уже невозможно представить без лазеров.

Одним из важнейших свойств лазерного излучения является чрезвычайно высокая степень его монохроматичности, недостижимая в излучении нелазерных источников. Это и все другие уникальные свойства лазерного излучения возникают в результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества.

Чтобы понять принцип работы лазера, нужно более внимательно изучить процессы поглощения и излучения атомами квантов света. Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E1E2 и т. д. В теории Бора эти состояния называются стабильными. На самом деле стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. Все другие состояния нестабильны. Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10–8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10–3 с. Такие уровни называются метастабильными.

Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

Теперь самое главное. В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. Вынужденное излучение обладает удивительным свойством. Оно резко отличается от спонтанного излучения. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении. На языке волновой теории это означает, что атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает. С точки зрения квантовой теории, в результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.

Именно индуцированное излучение является физической основой работы лазеров.

На рис. 1 схематически представлены возможные механизмы переходов между двумя энергетическими состояниями атома с поглощением или испусканием кванта света.

Рисунок 1.

Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта

Рассмотрим слой прозрачного вещества, атомы которого могут находиться в состояниях с энергиями E1 и E2 > E1. Пусть в этом слое распространяется излучение резонансной частоты перехода ν = ΔE / h. Согласно распределению Больцмана, при термодинамическом равновесии большее количество атомов вещества будет находиться в нижнем энергетическом состоянии. Некоторая часть атомов будет находиться и в верхнем энергетическом состоянии, получая необходимую энергию при столкновениях с другими атомами. Обозначим населенности нижнего и верхнего уровней соответственно через n1 и n2 < n1. При распространении резонансного излучения в такой среде будут происходить все три процесса, изображенные на рис.1. Эйнштейн показал, что процесс (a) поглощения фотона невозбужденным атомом и процесс (c) индуцированного испускания кванта возбужденным атомом имеют одинаковые вероятности. Так как n2 < n1 поглощение фотонов будет происходить чаще, чем индуцированное испускание. В результате прошедшее через слой вещества излучение будет ослабляться. Это напоминает появление темных фраунгоферовских линий в спектре солнечного излучения. Излучение, возникающее в результате спонтанных переходов, некогерентно, распространяется во всевозможных направлениях и не дает вклада в проходящую волну.

Чтобы проходящая через слой вещества волна усиливалась, нужно искусственно создать условия, при которых n2 > n1, т. е. создать инверсную населенность уровней. Такая среда является термодинамически неравновесной. Идея использования неравновесных сред для получения оптического усиления впервые была высказана В. А. Фабрикантом в 1940 году. В 1954 году русские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и независимо от них американский ученый Ч. Таунс использовали явление индуцированного испускания для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны λ = 1,27 см. За разработку нового принципа усиления и генерации радиоволн в 1964 году все трое были удостоены Нобелевской премии.

Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой.

Начало лавинообразному процессу в такой системе при определенных условиях может положить случайный спонтанный акт, при котором возникает излучение, направленное вдоль оси системы. Через некоторое время в такой системе возникает стационарный режим генерации. Это и есть лазер. Лазерное излучение выводится наружу через одно (или оба) из зеркал, обладающее частичной прозрачностью. На рис. 2 схематически представлено развитие лавинообразного процесса в лазере.

Рисунок 2.

Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере

Существуют различные способы получения среды с инверсной населенностью уровней. В рубиновом лазере используется оптическая накачка, атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но для этого недостаточно только двух уровней. Каким бы мощным не был свет лампы–накачки, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. В рубиновом лазере накачка производится через выше расположенный третий уровень (рис. 3).

Рисунок 3.

Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E2 иE3. Уровень E2 – метастабильный. Переход между уровнями E3 и E2безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E2 и E1. В кристалле рубина уровни E1E2 и E3принадлежат примесным атомам хрома

После вспышки мощной лампы, расположенной рядом с рубиновым стержнем, многие атомы хрома, входящего в виде примеси в кристалл рубина (около 0,05 %), переходят в состояние с энергией E3, а через промежуток τ ≈ 10–8 с они переходят в состояние с энергией E2. Перенаселенность возбужденного уровня E2 по сравнению с невозбужденным уровнем E1 возникает из-за относительно большого времени жизни уровня E2.

Лазер на рубине работает в импульсном режиме на длине волны 694 мм (темно-вишневый свет), мощность излучения может достигать 106–109 Вт в импульсе. Исторически это был первый действующий лазер, построенный американским физикомТ. Майманом в 1960 г.

Одним из самых распространенных в настоящее время является газовый лазер на смеси гелия и неона. Общее давление в смеси составляет порядка 102 Па при соотношении компонент He и Ne примерно 10 : 1. Активным газом, на котором в непрерывном режиме возникает генерация на длине волны 632,8 нм (ярко-красный свет), является неон. Гелий – буферный газ, он участвует в механизме создания инверсной населенности одного из верхних уровней неона. Излучение He–Ne лазера обладает исключительной, непревзойденной монохроматичностью. Расчеты показывают, что спектральная ширина линии генерации He–Ne лазера составляет примерно Δν ≈ 5·10–4 Гц. Это фантастически малая величина. Время когерентности такого излучения оказывается порядка τ ≈ 1 / Δν ≈ 2·103 с, а длина когерентности cτ ≈ 6·1011 м, т. е. больше диаметра земной орбиты!

На практике многие технические причины мешают реализовать столь узкую спектральную линию He–Ne лазера. Путем тщательной стабилизации всех параметров лазерной установки удается достичь относительной ширины Δν / ν порядка 10–14–10–15, что примерно на 3–4 порядка хуже теоретического предела. Но и реально достигнутая монохроматичность излучения He–Ne лазера делает этот прибор совершенно незаменимым при решении многих научных и технических задач. Первый гелий-неоновый лазер был создан в 1961 году. На рис. 4 представлена упрощенная схема уровней гелия и неона и механизм создания инверсной населенности лазерного перехода.

Рисунок 4.

Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона

Накачка лазерного перехода E4 → E3 в неоне осуществляется следующим образом. В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в верхнее метастабильное состояния E2. Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию. Уровень E4 неона расположен на 0,05 эВ выше метастабильного уровня E2 гелия. Недостаток энергии компенсируется за счет кинетической энергии соударяющихся атомов. На уровне E4 неона возникает инверсная населенность по отношению к уровню E3, который сильно обедняется за счет спонтанных переходов на ниже расположенные уровни. При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация. На рис. 5 изображена схема гелий-неонового лазера.

Рисунок 5.

Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0,1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1–2 %

Современные высокостабильные гелий-неоновые лазеры производятся в моноблочном исполнении. Для этого используется стеклообразное вещество – ситалл, обладающий практически нулевым температурным коэффициентом расширения. В куске ситалла в форме прямоугольного параллелепипеда просверливается канал, к торцам которого на оптическом контакте приклеиваются лазерные зеркала. Канал заполняется смесью гелия и неона. Катод и анод вводятся через дополнительные боковые каналы. Такая моноблочная конструкция обеспечивает высокую механическую и тепловую стабильность.

Модель. Лазер, двухуровневая модель

Урок 4. Строение атомного ядра. Ядерные силы

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели атома, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 1.

Рисунок 1.

Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции (т. е. световые вспышки) в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом низкого давления на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны.

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна mp = 1,67262∙10–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной  массы атома углерода с массовым числом 12: 

1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.

Следовательно, mp = 1,007276  а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc2. Так как 1 эВ = 1,60218·10–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна938,272331 МэВ.

Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон. Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10–13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу. Однако идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться ее поиском. Через 12 лет, в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Рисунок 2.

Схема установки для обнаружения нейтронов

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10–20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ.

Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 6.5.2 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Нейтрон – это элементарная частица. Ее не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд.

По современным измерениям, масса нейтрона mn = 1,67493∙10–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N.

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A: 

A = Z + N.

Ядра химических элементов обозначают символом , где X – химический символ элемента. Например,
 – водород,  – гелий,  – углерод,  – кислород,  – уран.

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода их три:  – обычный водород,  – дейтерий и  – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Урок 5. Энергия связи атомных ядер

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10–12–10–13 см). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре в отношении сильного взаимодействия ведут себя одинаково, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: 

Mя < Zmp + Nmn.

Разность масс 

ΔM = Zmp + Nmn – Mя.

называется дефектом массы.

По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = mc2 можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра Eсв

Eсв = ΔMc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2.

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра гелия , в состав которого входят два протона и два нейтрона. Масса ядра гелия Mя = 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 2mp + 2mn = 4, 03298 а. е. м. Следовательно, дефект массы ядра гелия равен ΔM = 0,03038 а. е. м. Расчет по формуле Eсв = ΔMc2 приводит к следующему значению энергии связи ядра Eсв = 28,3 МэВ. Это огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков превышает энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода  например, энергия ионизации равна13,6 эВ.

В таблицах принято указывать удельную энергию связи, т. е. энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рис. 6.6.1 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия  до 7,1 МэВ/нуклон у гелия . Затем, претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50–60, а потом сравнительно медленно снижается у тяжелых элементов. Например, у урана  она составляет7,6 МэВ/нуклон.

Рисунок 1.

Удельная энергия связи ядер

Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется увеличением энергии кулоновского отталкивания протонов. В тяжелых ядрах связь между нуклонами ослабевает, а сами ядра становятся менее прочными.

В случае стабильных легких ядер, где роль кулоновского взаимодействия невелика, числа протонов и нейтронов Z и N оказываются одинаковыми (). Под действием ядерных сил как бы образуются протон-нейтронные пары. Но у тяжелых ядер, содержащих большое число протонов, из-за возрастания энергии кулоновского отталкивания для обеспечения устойчивости требуются дополнительные нейтроны. На рис. 2 приведена диаграмма, показывающая число протонов и нейтронов в стабильных ядрах. У ядер, следующих за висмутом (Z > 83), из-за большого числа протонов полная стабильность оказывается вообще невозможной.

Рисунок 2.

Числа протонов и нейтронов в стабильных ядрах

Из рис. 1 видно, что наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения являются ядра элементов средней части системы Менделеева. Это означает, что существуют две возможности получения положительного энергетического выхода при ядерных превращениях:

  1.  Деление тяжелых ядер на более легкие;
  2.  Слияние легких ядер в более тяжелые.

В обоих этих процессах выделяется огромное количество энергии. В настоящее время оба процесса осуществлены практически: реакции деления и термоядерные реакции.

Выполним некоторые оценки. Пусть, например, ядро урана  делится на два одинаковых ядра с массовыми числами 119. У этих ядер, как видно из рис. 1, удельная энергия связи порядка 8,5 МэВ/нуклон. Удельная энергия связи ядра урана7,6 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана выделяется энергия, равная 0,9 МэВ/нуклон или более 200МэВ на один атом урана.

Рассмотрим теперь другой процесс. Пусть при некоторых условиях два ядра дейтерия  сливаются в одно ядро гелия . Удельная энергия связи ядер дейтерия равна 1,1 МэВ/нуклон, а удельная энергия связи ядра гелия равна 7,1 МэВ/нуклон. Следовательно, при синтезе одного ядра гелия из двух ядер дейтерия выделится энергия, равная 6 МэВ/нуклон или 24 МэВ на атом гелия.

Следует обратить внимание на то, что синтез легких ядер по сравнению с делением тяжелых сопровождается примерно в 6 раз большим выделением энергии на один нуклон.

Модель. Энергия связи ядер

Урок 6. Закон радиоактивного распада

Урок 7.  Ядерные реакции. Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме: 

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году: 

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина 

Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2.

где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии.

  1.  Деление тяжелых ядер. 

В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов:  (99,3 %) и  (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления  наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра  вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра  В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид: 

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана - 235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер составляет примерно 1,6 для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательных β-распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 1

Рисунок 1.

Схема развития цепной реакции

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана - 235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.

Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана - 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана - 235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 2.

Рисунок 2.

Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана - 235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, а из турбины поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен 1/3 Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Наряду с ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа  Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.

  1.  Термоядерные реакции.

Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис. 1.1).

Рисунок 1.1

Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития 

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

Модель. Ядерный реактор

Ядерный реактор – это устройство, предназначенное для превращения энергии атомного ядра в электрическую энергию. В ядре реактора находится радиоактивное вещество (обычно, уран или плутоний). Энергия, выделяемая за счет α-распада этих атомов, нагревает воду. Получающийся водяной пар устремляется в паровую турбину; за счет ее вращения в электрогенераторе вырабатывается электрический ток. Теплая вода после соответствующей очистки выливается в расположенный рядом водоем; оттуда же в реактор поступает холодная вода. Специальный герметичный кожух защищает окружающую среду от смертоносного излучения.

Специальные графитовые стержни поглощают быстрые нейтроны. С их помощью можно управлять ходом реакции. Нажмите кнопку Поднять (это можно сделать, только если будут включены насосы, закачивающие холодную воду в реактор) и включите Условия процесса. После того, как стержни будут подняты, начнется ядерная реакция. Температура T1 внутри реактора возрастет до 300 °С, и вода вскоре начнет кипеть. Взглянув на амперметр в правом углу экрана, можно убедиться, что реактор начал вырабатывать электрический ток.

Задвинув стержни обратно, можно приостановить цепную реакцию.

Модель. Синтез гелия

Модель демонстрирует ядерные реакции, сопровождающиеся образованием гелия. Такие реакции протекают в ядрах горячих звезд, в том числе в солнечном ядре. В зависимости от исходных продуктов реакции синтеза гелия разделяются на реакции водородного цикла, которые могут протекать по-разному при различных температурах, и реакции углеродного цикла. Среди конечных продуктов каждого цикла имеются альфа-частицы – ядра атома 4He. В нижнем окне показаны формулы реакции. Выбрать процесс можно при помощи соответствующего переключателя. Кнопка Стоп приостанавливает анимацию, а кнопка Сброс возвращает модель в исходное состояние.

Протоны условно изображены большими красными шариками, нейтроны – серыми, электроны и позитроны – маленькими синими и красными, электронные нейтрино – белыми, гамма-кванты – желтыми.

Большинство реакций протекает в несколько этапов. Формула проходящего в данный момент этапа выделяется в нижнем окне красным цветом.

Модель. Ядерные превращения

Настоящая модель демонстрирует различные типы ядерных превращений. Ядерные превращения возникают как вследствие процессов радиоактивного распада ядер, так и вследствие ядерных реакций, сопровождающихся делением или синтезом ядер.

Изменения, происходящие в ядрах, можно разбить на три группы:

    1)  изменение одного из нуклонов в ядре;

    2)  перестройка внутренней структуры ядра;

    3)  перегруппировка нуклонов из одних ядер в другие.

К первой группе относятся различные виды бета-распада, когда один из нейтронов ядра превращается в протон или наоборот. Первый (более частый) вид бета-распада происходит с испусканием электрона и электронного антинейтрино. Второй вид бета-распада происходит или путем испускания позитрона и электронного нейтрино, или путем захвата электрона и испускания электронного нейтрино (захват электрона происходит с одной из ближайших к ядру электронных оболочек). Заметим, что в свободном состоянии протон не может распасться на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино – для этого необходима дополнительная энергия, которую он получает у ядра. Общая энергия ядра тем не менее понижается при превращении протона в нейтрон в процессе бета-распада. Это происходит за счет снижения энергии кулоновского отталкивания между протонами ядра (которых становится меньше).

Ко второй группе следует отнести гамма-распад, при котором ядро, первоначально находившееся в возбужденном состоянии, сбрасывает излишек энергии, излучая гамма-квант. К третьей группе относятся альфа-распад (испускание исходным ядром альфа-частицы – ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов), деление ядра (поглощение ядром нейтрона с последующим распадом на два более легких ядра и испускание нескольких нейтронов) и синтез ядра (когда в результате столкновения двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и, возможно, остаются легкие осколки или отдельные протоны или нейтроны).

Обратите внимание, что при альфа-распаде ядро испытывает отдачу и заметно смещается в сторону, противоположную направлению вылета альфа-частицы. В то же время, отдача при бета-распаде гораздо меньше и в нашей модели не заметна совсем. Это вызвано тем, что масса электрона в тысячи (и даже в сотни тысяч раз – для тяжелых атомов) меньше, нежели масса ядра.

Урок 8. Применение ядерной энергии. Биологические действия радиоактивных излучений

Применение ядерной энергии для преобразования ее в электрическую впервые было осуществлено в нашей стране в 1954 г. В г. Обнинске была введена в действие первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт. Энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе, использовалась для превращения воды в пар, который вращал затем связанную с генератором турбину.

Развитие ядерной энергетики. По такому же принципу действуют введенные в эксплуатацию Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и другие АЭС. Реакторы этих станций имеют мощность 500—1000 МВт.

Атомные электростанции строятся прежде всего в европейской части страны. Это связано с преимуществами АЭС по сравнению с тепловыми электростанциями, работающими на органическом топливе. Ядерные реакторы не потребляют дефицитного органического топлива и не загружают перевозками угля железнодорожный транспорт. Атомные электростанции не потребляют атмосферный кислород и не засоряют среду золой и продуктами сгорания. Однако размещение АЭС в густонаселенных областях таит в себе потенциальную угрозу.

В реакторах на тепловых (т. е. медленных) нейтронах уран используется лишь на 1-2%. Полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах, в которых обеспечивается также воспроизводство нового ядерного горючего в виде плутония. В 1980 г. на Белоярской АЭС состоялся пуск первого в мире реактора на быстрых нейтронах мощностью 600 МВт.

Ядерной энергетике, как и многим другим отраслям промышленности, присущи вредные или опасные факторы воздействия на окружающую среду. Наибольшую потенциальную опасность представляет радиоактивное загрязнение. Сложные проблемы возникают с захоронением радиоактивных отходов и демонтажем отслуживших свой срок атомных электростанций. Срок их службы около 20 лет, после чего восстановление станций из-за многолетнего воздействия радиации на материалы конструкций невозможно.

АЭС проектируется с расчетом на максимальную безопасность персонала станции и населения. Опыт эксплуатации АЭС во всем мире показывает, что биосфера надежно защищена от радиационного воздействия предприятий ядерной энергетики в нормальном режиме эксплуатации. Однако взрыв четвертого реактора на Чернобыльской АЭС показал, что риск разрушения активной зоны реактора из-за ошибок персонала и просчетов в конструкции реакторов остается реальностью, поэтому принимаются строжайшие меры для снижения этого риска.

Ядерные реакторы устанавливаются также на атомных подводных лодках и ледоколах.

Ядерное оружие. Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом увеличения нейтронов осуществляется в атомной бомбе.

Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран или плутоний.

Чтобы мог произойти взрыв, размеры делящегося материала должны превышать критические. Это достигается либо путем быстрого соединения двух кусков делящегося материала с докритическими размерами, либо же за счет резкого сжатия одного куска до размеров, при которых утечка нейтронов через поверхность падает настолько, что размеры куска оказываются надкритическими. То и другое осуществляется с помощью обычных взрывчатых веществ.

При взрыве атомной бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой высокой температуре очень резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве атомной бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни живых организмов.

Атомные бомбы применили США в конце Второй мировой войны против Японии. В 1945 г. были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.

В термоядерной (водородной) бомбе для инициирования реакции синтеза используется взрыв атомной бомбы, помещенной внутри термоядерной.

Нетривиальным решением оказалось то, что взрыв атомной бомбы используется не для повышения температуры, а для сильнейшего сжатия термоядерного топлива излучением, образующимся при взрыве атомной бомбы.

В нашей стране основные идеи создания термоядерной бомбы были выдвинуты после Великой Отечественной войны А. Д. Сахаровым.

С созданием ядерного оружия победа в войне стала невозможной. Ядерная война способна привести человечество к гибели, поэтому народы всего мира настойчиво борются за запрещение ядерного оружия.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный продолжать нормальную деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков. Между тем и слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь).

При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм биологического действия излучения, поражающего объекты, еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены в хромосомах. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли гамма-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения. Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излучения называется отношение поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе облучаемого вещества.

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в грэях (сокращенно: Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж.

Естественный фон радиации (космические лучи, радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около 2 • 10-3 Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения 3-10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Рентген. На практике широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы излучения – рентген (сокращенно: Р). Эта единица является мерой ионизирующей способности рентгеновского и гамма-излучений. Доза излучения равна одному рентгену (1 Р), если в 1 см3 сухого воздуха при температуре 0 °С и давлении 760 мм рт. ст. образуется столько ионов, что их суммарный заряд каждого знака в отдельности равен 3 • 10-10 Кл. При этом получается примерно 2 • 109 пар ионов. Число образующихся ионов связано с поглощаемой веществом энергией. В практической дозиметрии можно считать 1 Р примерно эквивалентным поглощенной дозе излучения 0,01 Гр.

Характер воздействия излучения зависит не только от дозы поглощенного излучения, но и от его вида. Различие биологического воздействия видов излучения характеризуется коэффициентом качества. За единицу принимается коэффициент качества рентгеновского и гамма-излучения.

Самое большое значение коэффициента качества у альфа-частиц (k = 20), альфа-лучи являются самыми опасными, так как вызывают самые большие разрушения живых клеток.

Для оценки действия излучения на живые организмы вводится специальная величина — эквивалентная доза поглощенного излучения. Это произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества:

Н = D • k.

Единица эквивалентной дозы — зиверт (Зв). 1 Зв — эквивалентная доза, при которой доза поглощенного гамма-излучения равна 1 Гр.

Максимальное значение эквивалентной дозы, после которого происходит поражение организма, выражающееся в нарушении деления клетки или образовании новых клеток, 0,5 Зв.

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения за счет естественного радиационного фона (космические лучи, радиоактивные изотопы земной коры и т. д.) составляет 2 мЗв в год.

Защита организмов от излучения. При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты — это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, для защиты от излучения используют преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от у-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем гамма-лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

После аварии на Чернобыльской АЭС Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) по предложению нашей страны приняты рекомендации по дополнительным мерам безопасности энергетических реакторов. Установлены более строгие регламенты работ персонала АЭС.

Авария на Чернобыльской АЭС показала огромную опасность радиоактивных излучений. Все люди должны иметь представление об этой опасности и мерах защиты от нее.

2.3. Рекомендации по использованию цифровых ресурсов с CD дисков, Интернет ресурсов и видеофильмов

Заключение

Список литературы


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84661. Обогащение руд цветных металлов 32.49 KB
  Чистая медь –- это металл розовато красного цвета очень мягкий и обладающий большой вязкостью и пластичностью. Подземного выщелачивания Техникоэко-номические показатели медного производства Производство черновой меди отличается высокой материало и топливоёмкостью.
84662. Предложение. Члены предложения 37.29 KB
  Члены предложения. Докажите что мы составили предложения. А что должно стоять в конце любого предложения знак препинания IV. Работа по теме 10 минут На доске записаны слова: Астаны идем по улице мы а вы Астане были в приезжайте посмотреть обязательно нашу столицу Астану Составьте из слов каждой строчки предложения.
84663. Решение неравенств и систем неравенств с одной переменной 54 KB
  Цели: образовательная: повторить и закрепить умения и навыки решения линейных неравенств с одной переменной и их систем; привить навыки решения заданий; развивающая: развивать приёмы мыслительной деятельности, внимание; формировать потребность к приобретению знаний; развивать коммуникативную и информационную...
84664. Владимир Святославич. Принятие христианства 64.5 KB
  Задачи урока: образовательные: определить основные направления внутренней и внешней политики князя Владимира; вспомнить какие существуют мировые религии выявить отличия христианства от язычества; воспитательные: дать оценку деятельности Владимира Святославовича развивающие: сформировать...
84665. Коллективизация в Казахстане 13.26 KB
  Цель: ознакомить учащихся с процессом проведения коллективизации в Казахстане; научить правильно оценивать события происходящие в данный период на территории Казахстана. Голощекина в период проведения политики коллективизации программа Малый Октябрь; продолжить изучение тоталитаризма и его кровавых последствий.
84667. Разнообразие растений 18.58 KB
  Задачи: Обобщить знания учащихся о разнообразии и жизни растений. Дети называют соответствующие группы растений и в результате рядом с фотографией появляются названия групп Дети высказывают свои предположения. Изучить эти группы растений.
84668. Звуки т, т. Буква Т 18.76 KB
  Воспитательные: Воспитывать коммуникативные качества учащихся. Формировать потребности и способности к сотрудничеству при работе в парах. Развивающие: Развивать познавательный интерес, устойчивое внимание и память. Развивать интерес к самостоятельной деятельности, с целью поиска нужной информации.
84669. МНОГООБРАЗИЕ РЫБ. КЛАСС КОСТНЫЕ РЫБЫ 63.5 KB
  Цель: Продолжить работу по знакомству с многообразием рыб их приспособленностях к жизни в различных условиях водной среды; формировать умения сравнивать и описывать особенности строения рыб процессы жизнедеятельности познакомиться с наиболее распространёнными отрядами.