МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Астраханский государственный университет»
УТВЕРЖДЕНО
решением совета факультета
от 28.08 2014 г., протокол № 1
Декан физико-технического факультета
__________________ Выборнов Н.А.
Рабочая программа дисциплины
Современные проблемы физики и
физического образования
Направление подготовки
44.06.01 Образование и педагогические науки
Направленность (профиль) подготовки
Теория и методика обучения и воспитания (физика)
Квалификация (степень) выпускника
Исследователь. Преподаватель-исследователь
Астрахань - 2014
Программа разработана на основе ФГОС по направлению подготовки
44.05.01 Образование и педагогические науки
Разработчик: Фисенко М.А., кандидат педагогических наук, доцент кафедры
теоретической физики и методики преподавания физики________________
РАССМОТРЕНА на заседании кафедры теоретической физики и методики
преподавания физики
Протокол № 11 от «26» июня 2014 г.
Заведующий кафедрой ______________________/И.А. Крутова/
2
1. Цели и задачи освоения дисциплины
Целями и задачами освоения дисциплины «Современные проблемы физики и
физического образования» являются:
 изучение тенденций и перспектив развития физики, осмысление взглядов на ее
эволюцию, место и роль в современной науке и технике;
 ознакомление с последними достижениями и открытиями в области физики
ускорителей, высоких энергий и элементарных частиц, атомной физике, физике
плазмы, теоретической механики, статистической физики, квантовой теории,
нанотехнологий;
 изучение отечественной и зарубежной систем физического образования.
2. Место дисциплины в структуре ОП магистратуры
2.1 Учебная дисциплина «Современные проблемы физики и физического образования»
относится к числу дисциплин, направленных на подготовку к сдаче кандидатского
экзамена, вариативная часть Б1.В.01.03. Трудоемкость 4 ЗЕ (144 часа), изучается в 4
семестре.
2.2. Для изучения дисциплины необходимы знания, умения и компетенции, полученные
аспирантами при изучении следующих дисциплин: «Теория и методика обучения физике в
общеобразовательных учреждениях разного типа», «Обучение методам исследования
физических явлений».
Знания современных парадигм развития физики, современных направлений
развития физического образования, теоретических основ организации научноисследовательской деятельности с опорой на физические знания.
Умения анализировать тенденции современной физики, определять перспективные
направления физических исследований, адаптировать современные достижения физики и
наукоемких технологий к образовательному процессу по физике;
Навыки и (или) опыт деятельности: владения современными методами
физических исследований, способами осмысления и критического анализа научной
информации.
2.3. Перечень последующих дисциплин, для которых необходимы знания, умения,
навыки, формируемые данной учебной дисциплиной: педагогическая практика, научноисследовательская работа.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
«Современные проблемы физики и физического образования»
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование элементов следующих
компетенций в соответствии с ФГОС ВО (уровень подготовки кадров высшей
квалификации) и ОП ВО по направлению 44.06.01 Образование и педагогические науки:
ПК-3 и ПК-4.
Код и наименование
компетенции
ПК-3: способность
проектировать
содержание учебных
дисциплин,
технологии и
конкретные методики
обучения
Результаты освоения дисциплины
Знать
Уметь
Владеть
Современные
Использовать знание Знаниями
научные достижения современных
современной
в области физики проблем физики и
физической науки
при
решении физического
в области
исследовательских и образования при
физического
практических задач в решении
образования при
междисциплинарных образовательных и
решении
областях
профессиональных
образовательных и
задач.
профессиональных
задач.
3
ПК-4 готовность к
разработке
и
реализации
методических
моделей,
методик,
технологий и приемов
обучения, к анализу
результатов процесса
их использования
Современные
направления
развития
физического
образования,
теоретические
основы организации
научноисследовательской
деятельности
с
опорой
на
физические знания
Анализировать
тенденции
современной
физики, определять
перспективные
направления
физических
исследований,
адаптировать
современные
достижения физики
и наукоемких
технологий к
образовательному
процессу по физике
Разрабатывать
методики обучения
современным
знаниям по физике
и
наукоемким
технологиям
и
реализовывать их в
образовательном
процессе
Наименование раздела
(темы)
Неделя
семестра
№
п/п
Семестр
4.Структура и содержание дисциплины «Современные проблемы физики
и физического образования»
Самос
тоят.
работа
Контактная работа
(в часах)
Л
ПЗ
ЛР
ГК
ИК
Формы
контроля
АИ
Основные
4
1
2
2
20
Реферат
проблемные области
современной физики
2. Квантовые эффекты
4
2
2
2
20
Зачет
современной физики
3. Сканирующая
4 3
2
2
20
Зачет
зондовая
микроскопия
4. Нанофизика и
4
4
2
2
20
Зачет
нанотехнологии
5. Физика высоких
4
5
2
2
20
Зачет
энергий
6 Проблемы и
4
6
2
2
20
Реферат
перспективы физики
и физического
образования в
России и за рубежом
Л – занятия лекционного типа; ПЗ – практические занятия, семинары, ЛР – лабораторные
работы; ГК – групповые консультации; ИК – индивидуальные консультации и иные
учебные занятия, предусматривающие индивидуальную работу преподавателя с
обучающимся; АИ – аттестационные испытания промежуточной аттестации
обучающихся.
1.
ОБЩЕЕ
ТЕМЫ,
РАЗДЕЛЫ
ДИСЦИПЛИНЫ
1.Основные проблемные области
современной физики
КОМПЕТЕНЦИИ
КОЛ-ВО
КОЛИЧЕСТВ
КОМПЕТЕН
ЧАСОВ
4
ЦИЙ
ПК-3
+
ПК-4
+
2
4
2. Квантовые эффекты современной
физики
3. Сканирующая зондовая микроскопия
4. Нанофизика и нанотехнологии
5. Физика высоких энергий
6. Проблемы и перспективы физики и
физического образования в России и за
рубежом
4
+
+
2
4
4
4
4
+
+
+
+
+
+
+
+
2
2
2
Самостоятельное изучение разделов дисциплины
Номер радела (темы)
1. Основные проблемные
области современной
физики.

















2. Квантовые эффекты
современной физики.
3. Сканирующая зондовая
микроскопия.
Темы/вопросы, выносимые на
Количество
самостоятельное изучение
часов
20
Основные
направления
современных
физических исследований в области
энергетики.
Основные
направления
современных
физических исследований в области
конденсированного состояния материи.
Основные
направления
современных
физических исследований в области
нанообъектов и нанотехнологий.
Основные
направления
современных
физических исследований в области
фундаментальных свойств материи.
Основные
направления
современных
физических исследований в области
астрофизики и эволюции Вселенной.
Фундаментальные
взаимодействия
в
природе.
Симметрия и законы сохранения.
Горячая модель Вселенной.
Гипотезы о возникновении и эволюции
звезд.
Термоядерные реакции как источник
энергии звезд.
Роль гравитации во Вселенной.
Звездные системы. Галактики.
Нейтронные звезды.
Черные дыры.
Вещество и антивещество во Вселенной.
Открытия в области физики, удостоенные
Нобелевской премии за последние 10 лет.
Современные ускорители частиц: большой
адронный коллайдер.
Самостоятельная работа аспирантов
предусматривает решение конкретных
физических задач
Самостоятельная работа аспирантов
20
20
5
предусматривает решение физических задач
4.Нанофизика и
нанотехнологии
Самостоятельная работа аспирантов
предусматривает решение физических задач
5. Физика высоких энергий
6. Проблемы и перспективы
физики и физического
образования в России и за
рубежом.
Самостоятельная работа аспирантов
предусматривает решение физических задач
 Структура и содержание физического
образования
в
стандартах
третьего
поколения.
 Основные
направления
развития
современного физического образования.
 Процессы гуманизации и гуманитаризации
в физическом образовании.
 Активное обучение на уроках физики.
 Мотивация учащихся на изучение физики.
 Физический эксперимент как основа
познания окружающей действительности.
 Научно-исследовательская
деятельность
учащихся в процессе изучения физики.
 Деятельностный подход
в обучении
физике.
 Дидактические
аспекты
применения
современных информационных технологий
при обучении физике.
 Мониторинг в физическом образовании.
 Структура и содержание зарубежного
физического образования.
 Современные педагогические технологии в
обучении физике.
 Международные системы оценки качества
физического образования.
20
20
20
5. Образовательные технологии
№
1.
2.
Формы
Научнопрактическая
конференция
Круглый стол
Описание
В такой форме проводится защита рефератов по выбранным
аспирантами темам. Тематика рефератов представлена в п. 6
данной программы.
Проводится зачет. Вопросы, которые предлагаются студентам
для обсуждения, сформулированы в п.6 данной программы.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа аспирантов предусматривает решение следующих задач.
1. Найдите отношение энергий кулоновского и гравитационного взаимодействия двух
протонов в ядре, полагая расстояние между ними равным по порядку радиусу ядра
~10–15 м.
6
2. Вычислите кинетическую энергию нейтрона, возникающего в результате распада
остановившегося –-гиперона (–  n + –).
3. Определите кварковый состав квартета барионов: ++, +, 0 и –, если известно, что
указанные барионы состоят из кварков первого поколения.
4. Какое количество энергии выделяется в процессе бета-распада свободного нейтрона:
~
n
p
e

e?
5. Масса -мезона приблизительно в 270 раз больше массы электрона. Пользуясь
соотношением неопределенностей, оцените время жизни виртуального -мезона и
сравните его со временем жизни реального -мезона. На какое максимальное расстояние
сможет переместиться виртуальный -мезон? Сравните это расстояние с радиусом ядра.
6. С помощью соотношения неопределенностей оцените кинетическую энергию
нуклона (протона или нейтрона) в атомном ядре. Радиус ядра принять равным 10 –15 м.
Сравните ее с энергией покоя нуклона.
7. Зная размеры атома, оцените кинетическую энергию электрона в атоме. Сравните ее с
потенциальной энергией и энергией покоя электрона.
8. Пользуясь релятивистской формулой связи полной энергии с массой и считая
энергию электрона электростатической, оцените классический радиус электрона.
9. Оцените предельную толщину пленки, при которой возможно наблюдение квантоворазмерных явлений. Подвижность электронов в пленке принять равной 104 cм2/(В с).
10. Оцените предельную толщину пленки, при которой возможно наблюдение квантоворазмерных явлений при комнатной температуре, если эффективная масса носителей m =
0.1 m0?
11. Для прямоугольной квантовой ямы шириной L и глубиной U получите уравнение
энергии связанных состояний. Определите число связанных состояний в яме. Найдите
условие, при котором расстояние по шкале энергий от вершины барьера до нижнего
уровня в яме равно заданной величине Е0.
12. Установите связь между концентрацией электронов и уровнем Ферми для
вырожденного одномерного электронного газа. Указание: использовать квадратичный
закон дисперсии энергии электронного газа.
13.* Свяжите шкалу температуры Вселенной с ее возрастом, пользуясь для сферической
Вселенной уравнением общей теории относительности, которое можно представить в виде
дифференциального уравнения
2

GR

28
R
= 2K.
3
 = v – скорость ее расширения,  – полная
Здесь R – радиус выделяемой сферы, R
массовая плотность Вселенной, G – гравитационная постоянная.
14.* Существование гравитации приводит к неустойчивости газовой системы большого
масштаба, где хаотическому движению его частиц противостоит их взаимное притяжение.
7
Найдите условия, при которых силы гравитации возобладают и приведут к конденсации
газа. Такие условия были установлены Д. Джинсом (1902) и получили название критерия
Джинса.
15. Оцените гравитационную массу Вселенной, считая ее радиус равным 14 млрд.
световых лет, полагая, что почти вся энергия Вселенной близка по величине к
гравитационной. Приняв, что масса Вселенной приходится в основном на протоны,
оцените число этих частиц.
16. Оцените плотность вещества во Вселенной. Сколько протонов приходится в среднем
на один кубический метр во Вселенной?
17. Оцените критическую величину средней плотности материи, ниже которой
расширение Вселенной будет неограниченным. Если же средняя плотность материи
больше критической, расширение Вселенной должно смениться через некоторое время на
сжатие.
18. Оцените массу галактики Млечного Пути, если известно, что скорость движения
Солнца вокруг центра Галактики составляет примерно 250 км/с (период обращения около
200 млн.лет), а расстояние до центра Галактики равно примерно 10 кпк. Орбита Солнца
проходит по периферии Галактики, которая относится к спиральным галактикам с
основной частью массы, сосредоточенной в центральной области. Сколько галактик во
Вселенной и звезд в Галактике?
19. Используя результаты предыдущей задачи, оцените среднюю плотность вещества
Галактики. Центральную область Галактики можно считать сферической.
20. Определите массу Солнца, если радиус орбиты Земли равен R = 1.51011 м
(астрономическая единица). Оцените среднюю плотность солнечного вещества. Радиус
Солнца равен r = 6.96108 м.
21. Найдите кинетическую энергию орбитального движения Земли вокруг Солнца, а также
энергию вращательного движения Земли вокруг своей оси. Определите энергию
гравитационного взаимодействия Земли и Солнца. Сравните полученные величины.
22. Определите гравитационную энергию Земли, считая ее однородным шаром с
плотностью 5.5 г/см3. Сравните эту величину с гравитационной энергии ее
взаимодействия с Солнцем.
Текущий контроль знаний аспирантов осуществляется в ходе проверки домашних
заданий и защиты рефератов.
1.
2.
3.
4.
5.
Примерная тематика рефератов
Основные направления современных физических исследований в области энергетики.
Основные направления современных физических исследований в области
конденсированного состояния материи.
Основные направления современных физических исследований в области
нанообъектов и нанотехнологий.
Основные направления современных физических исследований в области
фундаментальных свойств материи.
Основные направления современных физических исследований в области
астрофизики и эволюции Вселенной.
8
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
Фундаментальные взаимодействия в природе.
Симметрия и законы сохранения.
Горячая модель Вселенной.
Гипотезы о возникновении и эволюции звезд.
Термоядерные реакции как источник энергии звезд.
Роль гравитации во Вселенной.
Звездные системы. Галактики.
Нейтронные звезды.
Черные дыры.
Вещество и антивещество во Вселенной.
Открытия в области физики, удостоенные Нобелевской премии за последние 10 лет.
Современные ускорители частиц: большой адронный коллайдер.
Структура и содержание физического образования в стандартах третьего поколения.
Основные направления развития современного физического образования.
Процессы гуманизации и гуманитаризации в физическом образовании.
Активное обучение на уроках физики.
Мотивация учащихся на изучение физики.
Физический эксперимент как основа познания окружающей действительности.
Научно-исследовательская деятельность учащихся в процессе изучения физики.
Деятельностный подход в обучении физике.
Дидактические аспекты применения современных информационных технологий при
обучении физике.
Мониторинг в физическом образовании.
Структура и содержание зарубежного физического образования.
Современные педагогические технологии в обучении физике.
Международные системы оценки качества физического образования.
Интеграция отечественной системы образования с мировым образовательным
пространством.
Проблемы и перспективы физического образования в России и за рубежом.
Требования к оформлению реферата: объем – 16 стр. формата А4, должен включать:
титульный лист, содержание, введение, основную часть, заключение, библиографический
список, выставленный в алфавитном порядке с указанием Интернет-ресурсов. Текст
форматируется по ширине страницы, красная строка (отступ 1.25) должна соблюдаться,
нумерация страниц обязательна, ссылки на источники оформляются в квадратных скобках
в тексте реферата. Для отчета по реферату необходимо подготовить презентацию.
.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Вопросы к зачету
Квантоворазмерный эффект Холла.
Высокотемпературная сверхпроводимость.
Гетероструктуры и физика низкоразмерных систем. Квантовые нити и квантовые
точки.
Принцип действия и области применения туннельного и атомно-силового
микроскопов.
Электронный растровый микроскоп, оптический ближнепольный микроскоп.
Возможности использования сканирующей зондовой микроскопии в современных
научных исследованиях.
Наночастицы и нанокристаллы. Физические свойства, методы получения и области
применения.
Углеродные нанотрубки. Фуллерены. Графен. Возможности их применений.
Элементарные частицы. Стандартная модель частиц.
9
9. Великое объединение. Суперобъединение.
10. Эксперименты на ускорителях. Большой адронный коллайдер.
11. Эволюция Вселенной. Адронная, лептонная, радиационная и звездная эры. Энергии
частиц и температура Вселенной, соответствующие этим эрам.
12. Роль физики в интеграционных процессах современного естествознания.
13. Демонстрации и моделирование при обучении физике.
14. Парадигмы развития в физике и естественных науках.
15. Образовательные инновации, проекты, критерии оценки их эффективности.
16. Мониторинг в образовании. Международные системы оценки качества
естественнонаучного образования.
17. Проблемы и перспективы физического образования в России и за рубежом.
Требования к уровню освоения дисциплины, формы итогового контроля, критерии
оценки, формула расчета итоговой оценки определяются утвержденными кафедрой
документами.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины «Современные
проблемы науки и образования»
Основная литература
1. Физика сегнетоэлектриков. Современный взгляд.- М.:. Бином. Лаборатория знаний.
2011.- 440 с.
2. Морозов А.И. Физика твердого тела. Кристаллическая структура. Фононы. Учебное
пособие.- Москва, 2010.-140с.
3.
4.
5.
Гинзбург В.Л. О сверхпроводимости и сверхтекучести (что мне удалось сделать, а что не
удалось), а также о «физическом минимуме» на начало XXI века // УФН, 2004, т.174, 11.– С.
1240 – 1255.
Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии.– М.: Техносфера, 2004.– 328 с.
Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века.– М.:
Техносфера, 2003.– 336 с.
Джалмухамбетов А.У., Фисенко М.А. Современная естественнонаучная картина мира:
учебно-методическое пособие.– Астрахань: Издательский дом «Астраханский
университет», 2010. 105 с.
7. Джалмухамбетов А.У., Фисенко М.А. Задачи-оценки и модели физических систем:
учебное пособие.– Астрахань: Издат. дом «Астраханский университет», 2012.– 110 с.
6.
Дополнительная литература:
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene. Nat. Mat. 6, 183 (2007).
Novoselov K. S. et al. «Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films», Science 306, 666
(2004).
Novoselov, K. S. et al. «Two-dimensional atomic crystals», PNAS 102, 10451 (2005).
Zhang Y.et. al. «Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in
graphene», Nature 438, 201 (2005).
Алферов Ж.И., Казаринов Р.Ф. Авторское свидетельство N 181737, заявка N 950840 с
приоритетом от 30 марта 1963 г..
H. Kroemer. Proc. IEEE, v.51, 1782 (1963).
Нагаев Э. Л. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским
магнитосопротивлением // Успехи физических наук. — 1996. — Т. 166. — № 8. — С. 833—858.
Муковский Я. М. Получение и свойства материалов с колоссальным магнетосопротивлением //
Рос. хим. ж. — 2001. — Т. XLV. — № 5—6. — С. 32—41.
G. Binnig, C. F. Quate, Ch Gerber. Atomic Force Microscope, PRL 56, 9 (1986).
Ферт А. Происхождение, развитие и перспективы спинтроники // УФН. — 2008. — Т. 178. —
№ 12. — С. 1336—1348.
1
0
18.
19.
20.
21.
Интернет-ресурсы:
www.ufn.ru - журнал «Успехи физических наук.
Научная электронная библиотека eLibrary.ru.
Электронная база данных диссертаций РГБ.
База данных Реферативных журналов ВИНИТИ.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины «Современные проблемы
науки и образования»
Для проведения занятий по данной дисциплине необходима аудитория с
мультимедийной установкой, большая лекционная доска, мел.
1
1