n1-75.5.1.1. 1+1 этап. физике (раздел «Электричество») с использованием современных

1
n1-75.5.1.1. 1+1 этап. Создание программы профильного уровня по
физике (раздел «Электричество») с использованием современных
информационных технологий при реализации в школах,
профессионально ориентированных на гражданскую авиацию.
РЕФЕРАТ
В работе проведен сравнительный анализ школьной программы по
физике и вузовской рабочей программы по физике МГТУ ГА (раздел
«Электричество»), ориентированной на подготовку специалистов
эксплуатационных авиапредприятий. Определены темы и вопросы,
отражающие специфику такой подготовки.
Разработана рабочая программа теоретических занятий по физике
(раздел «Электричество»), профессионально ориентированная на
подготовку будущих специалистов авиакомпаний и авиапредприятий.
Страниц 17, литература 16 наименований.
Ключевые слова: электрический заряд, электрическое поле,
напряженность, потенциал, напряжение, электрический ток, проводимость,
сопротивление.
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 5
1. Сравнительный анализ школьной программы по физике (раздел
«Электричество») и вузовкой рабочей программы из учебного плана
подготовки авиаспециалиста............................................................................ 8
2. Профессионально ориентированная рабочая программа по физике
(раздел «Электричество») для учащихся специализированных классов
средних учебных заведений........................................................................... 12
Список литературы .......................................................................................... 15
3
ВВЕДЕНИЕ
В работах, проведённой в МГТУ ГА по договору по договору №
СР-СО - 75/2009 от 06.11.2009, а также договору № 75 от 02.11.2010 уже
была начата работа по созданию школьной программы профильного
уровня по физике (разделы «Механика», «Молекулярная физика и
термодинамика»)
технологий
с
для
использованием
ее
реализации
современных
информационных
в
профессионально
школах,
ориентированных на гражданскую авиацию.
В рамках данного договора продолжается такая работа, но уже в
разделе «Электричество»
В работе, как и прежде, будем исходить из того, что в зависимости
от профиля выпускных классов в школе в образовательных программах
реализуется
либо
базовый
уровень
программы
по
физике,
либо
профильный уровень. Первый уровень ориентирует выпускников школы
на
вузовские
специальности,
специальности
например,
гуманитарного
экономического,
профиля
логистического
или
на
и
др.
направлений технических вузов. Школьная программа по физике в этом
случае должна быть сопряжена, чаще всего, с программой такой вузовской
дисциплины, как «Концепции современного естествознания».
В случае ориентации школьников на технические специальности
втузов выпускные классы должны получать углублённую физикоматематическую подготовку, т.е. в этих классах должен реализовываться
профильный уровень Программы по физике [3.1.2].
В данном разделе представлена разработка раздела рабочей
программы по физике (раздел «Электричество»), профессионально
ориентированная на подготовку специалистов в области эксплуатации
авиационной техники. Здесь по-прежнему предусматривается сопряжение
4
школьной программы по физике и вузовской программы по физике для
технических специальностей.
Следует
напомнить,
что
несколько
лет
назад
всерьёз
рассматривалась задача сокращения срока обучения в вузе за счет
переноса содержания обучения первого курса в программу средней школы.
(Мы считаем эту задачу актуальной и решаемой и по сегодняшний день.)
При совмещении решаемой задачи с задачей сокращения срока обучения в
вузе, естественно, потребуется повышение (иногда существенное) уровня
изложения школьного материала и введения в школьную программу
некоторых новых подразделов, понятий, формулировок. На решение такой
задачи изначально накладывается ограничение, запрещающее увеличивать
учебную нагрузку на школьника.
При постановке такой двуединой задачи были рассмотрены три
основных направления модернизации школьной программы.
Первое, это – повышение уровня изложения школьной физики за
счет более полного использования материала, содержащегося в школьной
программе по математике. В работе показано, что в школьной физике
недостаточно используются получаемые школьниками знания (например,
по элементам математического анализа) даже по программе нынешнего
курса школьной математики. Кроме того, концепция разрабатываемой
рабочей программы потребует
модернизации школьной программы по
математике и перенос в неё большой части содержания обучения по таким
разделам вузовской математики, как «Математический анализ» и «Теория
вероятностей».
Второе. Введение в школьную программу по физике некоторых
новых подразделов, понятий, формулировок может быть проведено за счёт
минимизации научного содержания тех разделов школьной программы по
физике, которые изучаются во втузе на старших курсах. Полностью
5
исключить такие разделы нельзя, так как не все выпускники школы,
которые будут обучаться по предлагаемой схеме, в обязательном порядке
перейдут на следующую ступень – поступят во втуз. Поэтому
минимизация содержания может заключаться, например, в переводе
указанных разделов с профильного уровня на базовый.
Третье: повышение интенсивности обучения без увеличения
учебной нагрузки на школьника даёт широкое внедрение в школьную
физику современных информационных технологий обучения, которые, к
тому же, существенно повышают эффективность процесса усвоения
школьниками и студентами сложного теоретического материала.
Принципиальные
требования
к
рабочей
программе,
профессионально ориентированной на подготовку специалистов в области
эксплуатации авиационной техники, были выработаны ранее, как уже
указывалось, в рамках договоров № СР-СО - 73 /2008 от 29.10.08, № СРСО - 75/2009 от 06.11.2009 и № 75 от 02.11.2010 по выполнению цикла
мероприятий
по
социальному
обслуживанию
населения
в
части
предоставления образовательных услуг. В частности, было проведено
сравнение школьной программы по физике (разделы «Механика»,
«Молекулярная физика и термодинамика») и соответствующих разделов
рабочей программы по физике МГТУ ГА. Были определены сходные по
содержанию темы и вопросы. Проведено сравнение уровней изложения
этих вопросов и разработаны предложения по гармонизации уровней
изложения путем использования в школьной программе по физике
элементов высшей математики. Также были определены различия в
содержании раздела. Составлен перечень дополнительных тем и вопросов
для школьной программы. Сформулированы компетенции, определяющие
уровень освоения школьниками дополнительных тем. В заключительной
части работы были даны рекомендации преподавателям по уровню
6
изложения дополнительного содержании в школьной программе по физике
(разделы «Механика», «Молекулярная физика и термодинамика»), а также
реализации компетенций, определяющих уровень освоения школьниками
дополнительных тем.
Проведём сравнение школьной и втузовской программ по физике,
но уже в рамках раздела «Электричество».
1. Сравнительный анализ школьной программы по физике (раздел
«Электричество») и вузовкой рабочей программы из учебного плана
подготовки авиаспециалиста
Как уже указывалось, образовательный стандарт среднего общего
образования содержит три Примерные программы по физике: Примерную
программу основного общего образования по физике для 7-9 классов
общим объёмом 140 часов из расчета 2 учебных часа в неделю и два
варианта программы для 10-11 классов: Примерная программа среднего
(полного) общего образования (базовый уровень) общим объёмом 140
часов из расчета 2 учебных часа в неделю [3.1.6] и Примерная программа
среднего (полного) общего образования (профильный уровень) общим
объёмом 350 часов из расчета 5 учебных часов в неделю [3.1.7].
При ориентации школьников на технические специальности втузов
выпускные классы должны получать профильную физико-математическую
подготовку, т.е. в этих классах должен реализовываться профильный
уровень Программы по физике [3.1.2].
Необходимо определиться, в первую очередь, с дополнительным
содержанием
и
объёмом
физических
знаний,
которые
в
рамках
рассматриваемого проекта необходимо добавить в школьную программу.
7
Перейдём к следующему разделу курса физики: Электричество.
Сравним программу школьную и втузовскую. Для примера возьмём
рабочую программу одной из технических специальностей МГТУГА (см.
таблицу ниже).
Примечание: кажущаяся разница в объёмах содержания на самом
деле отражает лишь разную степень детализации программ.
Примерная программа
Рабочая программа дисциплины
среднего (полного) общего
ФИЗИКА
образования
шифр ЕН.Ф.03,
по физике.
специальность160901- техническая
Профильный уровень.
эксплуатация летательных аппаратов
X-XI классы
и авиадвигателей
Электростатика.
Электростатика.
Постоянный ток
Постоянный ток
Элементарный электричес-
Электромагнитное
взаимодействие,
его
кий заряд. Закон сохране- роль в природе и технике. Электрический
ния электрического заряда. заряд и его свойства. Закон сохранения
Закон Кулона.
женность
Напря- заряда. Закон Кулона. Электрическое поле,
электрического напряженность электрического поля, принцип
поля. Принцип суперпози- суперпозиции.
Циркуляция
электростати-
ции электрических полей. ческого поля. Поток электрического поля.
Потенциал электрического Теорема Гаусса для электрического поля в
поля.
Потенциальность вакууме. Потенциал электрического поля.
электростатического поля. Потенциал точечного
Разность
потенциалов. зарядов.
Связь
заряда и системы
между
напряженностью
8
Напряжение. Связь напря- электростатического поля и потенциалом.
жения с напряженностью
электрического поля.
Проводники
в
Проводники в электростатическом поле.
Поле внутри проводника и у его поверхности.
электри- Электроемкость
уединенного
проводника.
ческом поле. Электричес- Конденсаторы. Энергия системы зарядов,
кая емкость. Конденсатор. проводника
и
конденсатора.
Энергия
Диэлектрики в электричес- электростатического поля.
ком поле. Энергия электрического поля.
Электрическое
поле
в
диэлектриках.
Атомы в электрическом поле. Молекулы в
Электрический
ток. электрическом поле. Полярные и неполярные
Последовательное и парал- молекулы.
лельное соединение про- Вектор
водников.
Поляризация
поляризации.
диэлектриков.
Диэлектрическая
восприимчивость вещества. Электрическое
Электродвижущая сила поле внутри диэлектрика. Диэлектрическая
(ЭДС).
Закон
полной
Ома
для проницаемость.
электрической Закон
Гаусса
Электрическая
индукция.
для
вектора
индукции.
эффект.
Обратный
цепи. Электрический ток в Пьезоэлектрический
металлах,
электролитах, пьезоэлектрический эффект.
газах и вакууме. Закон
электролиза.
Полупроводники.
Классическая теория электропроводности.
Плазма. Газ заряженных частиц в электрическом поле.
Собст- Подвижность
зарядов.
Закон
Ома
в
венная и примесная прово- дифференциальной форме. Электропроводдимости полупроводников. ность (проводимость) вещества. Закон Ома
Полупроводниковый диод. для однородного проводника. Сопротивление.
Полупроводниковые
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной
приборы.
форме. Закон Джоуля-Ленца для однородного
проводника. Работа и мощность тока.
9
Как уже указывалось, многие темы и вопросы школьной и
вузовской программ совпадают по названию. Но реализуются они на
разных математических уровнях.
Уровень применяемого в школьной
физике математического
аппарата нельзя определить из программы. Он определяется уровнем
изложения материала в учебниках.
При
анализе
проблемы
и
выработке
рекомендаций
по
корректировке школьной программы по физике (раздел Электродинамика)
будем, в основном, использовать учебники физики для 10-го и 11-го
классов, рекомендованные Минобрнауки РФ [3]: авторы Г.Я. Мякишев,
Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский (10-й класс) [4], Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев
(11-й класс) [5], В.А.Касьянов (10-й и 11-й классы)[6,7], а также учебник
для углубленного изучения физики под редакцией Г.Я. Мякишева [10].
Начнём с темы «Электромагнитное взаимодействие, его роль в
природе и технике. Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения
заряда. Закон Кулона. Электрическое поле, напряженность электрического
поля, принцип суперпозиции». Она на достаточном уровне даётся в
обычных учебниках для средней школы [4,6] и практически на вузовском
уровне
–
в
учебнике
[10]
для
углублённого
изучения
физики,
рекомендованном Рособрнауки в качестве учебника для профильного
уровня изучения физики в 10-м классе [3].
К сожалению, сложнее дело обстоит при рассмотрении в школьных
учебниках темы «Потенциал электрического поля. Потенциал точечного
заряда
и
системы
электростатического поля
зарядов.
и
Связь
между
напряженностью
потенциалом». Здесь авторы никак не
осмелятся применить элементы математического анализа, которые
школьники уже изучили в курсе школьной математики [1.8] и
10
ограничиваются рассмотрением разности потенциальных энергий как
работы однородного электрического поля над зарядом. Поэтому из
школьной программы выпали традиционно там ранее присутствовавшие
вопросы «Потенциал точечного заряда и системы зарядов». И вопрос
«Связь
между
потенциалом»
напряженностью
принял
электростатического
упрощенный
вид:
«Связь
поля
и
напряжения
с
напряженностью электрического поля».
Тема «Проводники в электрическом поле» в школьной программе
вызывает определённые сложности, в связи с тем, что расположена как в
стандартных учебниках [4,6], так и в учебнике для углублённого изучения
физики [10], до введения понятия потенциал. Поэтому вопрос «Поле
внутри проводника» рассмотрен односторонне, только с позиции его
напряженности.
Подобный подход сразу вызывает относительную сложность в
определении электроемкости уединенного проводника, которая вводится
фактически декларативно даже в учебнике для профильных физикоматематических классов[10], а в стандартных учебниках [4,6] авторы
вообще сразу переходят к ёмкости конденсатора. Отметим здесь же, что
без введения понятий энергия системы зарядов трудно перейти к энергии
электрического поля в конденсаторе.
Тема «Электрическое поле в диэлектриках» в школьной программе
даётся весьма поверхностно. Схематично обозначен процесс поляризации
диэлектрика, а диэлектрическая проницаемость введена просто как
коэффициент ослабления электрического поля в диэлектрике. В вузовской
программе
явление поляризации диэлектрика рассматривается более
фундаментально и подробно.
Желает быть более углублённо рассмотренной в школьной
программе и тема «Электрический ток». Здесь она ограничивается законом
11
Ома для участка цепи, рассмотрением случаев последовательного и
параллельного соединения проводников.
В школьной программе (профильный уровень) [1.7] тема «Закон
Джоуля-Ленца
ограничивается
рассмотрением
тепловыделения
в
однородном проводнике. Работа и мощность тока» не обозначена, но она
представлена
в
учебниках
даже
стандартного
уровня
[4,7]
как
обязательная. Подход к её изложению и уровень изложения будет показан
ниже.
2. Профессионально ориентированная программа по физике (раздел
«Электричество») для учащихся специализированных классов
средних учебных заведений
Рабочая программа предполагает проведение занятий по физике в
виде спаренных уроков по академическому часу каждый. Возможна
реализация двух подходов к ведению занятий: традиционный школьный и
вузовский. Предлагаемая рабочая программа предполагает разделение
уроков по типу занятий, как это делается в вузе.
Теоретическая часть занятия включает в себя изложение нового
материала
в
виде
лекции,
сопровождающейся
демонстрационным
экспериментом. Возможны другие виды построения теоретического
занятия.
На практических занятиях, в основном, решаются задачи по уже
пройденному теоретическому материалу, чему предшествует опрос
учащихся, например, в виде тестирования в начале урока.
Значительное внимание должно быть уделено лабораторным
занятиям, на которых, с одной стороны, находит опытное подтверждение
пройденного
теоретического
материала, а с другой
–
учащимся
прививаются первичные навыки экспериментальных исследований и
12
обработки
их
результатов.
Учебно-методические
материалы
по
организации и содержанию школьного лабораторного практикума по
физике будут представлены в последующих работах.
В данной части отчета представлено содержание теоретических
занятий (ТЗ) в разделе «Электричество» по темам с указанием ссылок на
литературу. Объём каждой темы по времени должен быть определён
учебным планом данного учебного заведения, а также непосредственно
учителем, ведущем занятия.
Программа проведения и содержание практических занятий будет
представлена ниже в рамках этого же этапа.
Примечание. Раздел «Электричество» идёт третьим после разделов
«Механика» и «Молекулярная физика и термодинамика», поэтому номера
всех
его
тем
начинаются
теоретических занятий (ТЗ)
с
цифры
3.
Соответственно,
номера
начинаются с двух цифр: первая – номер
раздела (3), вторая – номер темы.
ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ для учащихся
специализированных классов средних учебных заведений
Раздел 3. «Электричество»
Тема 3.1. Электрическое поле
ТЗ 3.1.1. Электрические заряды и их взаимодействие. [3.6, стр.352-367;
3.10, стр.3-28].
Электромагнитное взаимодействие, его роль в природе и технике.
Электрический заряд и его свойства. Закон сохранения заряда. Закон
Кулона.
ТЗ 3.1.2. Электрическое поле неподвижных зарядов. Напряженность. [3.6,
стр.367-380; 3.10, стр.40-68].
13
Близкодействие и дальнодействие. Электрическое поле, напряженность
электрического поля. Принцип суперпозиции. Расчет напряженности
электрического
поля
системы
зарядов.
Силовые
линии.
Поток
электрического поля. Теорема Гаусса.
ТЗ 3.1.3. Электрическое поле неподвижных зарядов. Потенциал. [3.6,
стр.382-392; 3.10, стр.91-106].
Работа электрического поля. Потенциальная энергия взаимодействующих
зарядов. Потенциал. Потенциал точечного заряда и системы зарядов.
Эквипотенциальные
поверхности.
Связь
между
напряженностью
электростатического поля и потенциалом.
Тема 3.2. Проводники в электростатическом поле
ТЗ 3.2.1. Электростатическая индукция и поле заряженного проводника
[3.6, стр.390-403; 3.10, стр.68-72, 121-126].
Проводник в электрическом поле. Электростатическая индукция. Поле в
проводнике. Поле заряженного проводника. Электроемкость уединенного
проводника.
Электрические разряды. Молния. Воздействие электрических разрядов на
воздушные суда защита от них.
ТЗ 3.2.2. Конденсаторы [3.6, стр.403-410; 3.10, стр.126-141].
Электроёмкость конденсатора и системы конденсаторов. Энергия системы
зарядов, проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля.
Тема 3.3. Диэлектрики
ТЗ 3.3.1. Диэлектрик в электрическом поле [3.6, стр.390-396; 3.10, стр.7275].
Атомы
в
электрическом
поле.
Поляризация
атома.
Молекулы
в
14
электрическом поле. Полярные и неполярные молекулы. Поляризация
диэлектриков. Вектор поляризации. Диэлектрическая восприимчивость
вещества.
ТЗ 3.3.2. Электрическое поле в диэлектрике [3.6, стр.390-396; 3.10, стр.7579].
Электрическое
поле
внутри
диэлектрика.
Диэлектрическая
проницаемость. Электрическая индукция. Закон Гаусса для вектора
индукции. Пьезоэлектрический эффект. Обратный пьезоэлектрический
эффект.
Тема 3.4. Постоянный электрический ток
ТЗ 3.4.1. Классическая теория электропроводности. [3.7, стр.9-17,61-66;
3.10, стр.152-166].
Газ заряженных частиц в электрическом поле. Подвижность зарядов. Сила
тока. Плотность тока. Закон Ома в дифференциальной (локальной) форме.
Электропроводность (проводимость) вещества.
ТЗ 3.4.2. Закон Ома [3.7, стр.20-25, 38-42; 3.10, стр.166-178, 186-192].
Закон Ома для однородного проводника. Сопротивление. Зависимость
сопротивления
проводника
от
температуры.
Электрические
цепи,
Последовательное и параллельное соединения проводников.
ТЗ 3.4.3. Закон Джоуля-Ленца [3.7, стр.53-61; 3.10, стр.183-186].
Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Закон Джоуля-Ленца
для однородного проводника. Работа и мощность тока.
ТЗ 3.4.4. Закон Ома для полной цепи [3.7, стр.42-49; 3.10, стр.214-237].
Электродвижущая сила. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Закон
Ома для полной цепи.
15
На следующем этапе разработан план практических занятий по
разделу «Электричество», а также другие методические материалы для их
проведения в специализированных классах средних учебных заведений,
ориентированных на получение в будущем высшего профессионального
образования в области эксплуатации авиационного транспорта, которое
получают, например, в Московском государственном техническом
университете гражданской авиации (МГТУ ГА).
Список литературы
3.1. Федеральный компонент государственного стандарта общего
образования.
Часть
II.
Среднее
(полное)
общее
образование./
Министерство образования Российской Федерации. - М. 2004. - 266 с.
3.1.1. Физика. Базовый уровень
3.1.2. Физика. Профильный уровень
3.1.3. Математика. Базовый уровень
3.1.4. Математика. Профильный уровень
3.1.5. Примерная программа основного общего образования по физике.
VII—IX классы
3.1.6. Примерная программа среднего (полного) общего образования по
физике. Базовый уровень. X-XI классы
3.1.7. Примерная программа среднего (полного) общего образования по
физике. Профильный уровень. X-XI классы
3.1.8. Примерная программа среднего (полного) общего образования по
математике. Базовый уровень.
3.2.
Методические
рекомендации
по
преподаванию
физики
в
образовательных учреждениях в связи с переходом на федеральный
базисный учебный план. 2004 г.
16
3.3. Федеральный перечень учебников, рекомендованных (допущенных)
Министерством образования и науки Российской Федерации к
использованию в образовательном процессе в общеобразовательных
учреждениях, на 2007/2008 учебный год. Утвержден приказом
Минобрнауки России от 14 декабря 2006 г., № 321.
3.4. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика. Учебник для
10 класса общеобразовательных учреждений. Базовый и профильный
уровни. М.: «Просвещение», 2007.
3.5.
Мякишев
Г.Я.,
Буховцев
Б.Б.
Учебник
для
11
класса
общеобразовательных учреждений. Базовый и профильный уровни. М.:
«Просвещение», 2007.
3.6. Касьянов В.А. Физика. 10 класс. Учебник для общеобразовательных
учреждений. М.: Дрофа, 2008.
3.7. Касьянов В.А. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных
учреждений. М.: Дрофа, 2008.
3.8. Физика: Механика. 10 класс. Профильный уровень / Под ред.
Мякишева. М.: Дрофа, 2008.
3.9. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Молекулярная физика.
Термодинамика. 10 кл. Профильный уровень. М.: Дрофа, 2008.
3.10. Под ред. Мякишева. Физика: Электродинамика. 10–11 кл. Учебник
для углубленного изучения физики. М.: Дрофа, 2002.
3.11. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.
Профильный уровень. М.: Дрофа, 2008.
3.12. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Оптика. Квантовая физика.
11 кл. Профильный уровень. М.: Дрофа, 2007.
3.13. Кабардин О.Ф., Орлов В.А., Эвенчик Э.Е. и др. Физика: Учебник
для 10 класса школ и классов с углубленным изучением физики (под
ред. Пинского А.А.) Изд. 7-е. М: Просвещение, 2002.
17
3.14. Глазунов А.Т., Кабардин О.Ф., Малинин А.Н. и др. Физика:
Учебник для 11 класса школ и классов с углубленным изучением
физики (под ред. Пинского А.А.) Изд. 7-е/ 8-е. М.: Просвещение, 2003.
3.15. Громов С.В. Физика: Основы теории относительности и
классической элекродинамики. Учебник для 10 кл. общеобр. учр. М.:
Просвещение, 1997.
3.16. Громов С.В. Физика: Молекулярная физика. Квантовая физика.
Учебник для 11 кл. общеобр. учр. М.: Просвещение, 1999.