Информационные технологии в преподавании раздела «Ядерная физика»

Анализ существующих информационных технологий по разделу «Ядерная физика»

Вопросы раздела «Ядерная физика» активно применяется в едином государственном экзамене. Из раздела «Ядерная физика» применяются следующие элементы, проверяемые на едином государственном экзамене по физике, приведенные в таблице 1.

Таблица 1.

Перечень элементов содержания раздела «Ядерная физика», проверяемых на едином государственном экзамене по физике.

К уровню подготовки выпускников по разделу «Ядерная физика» предъявляются следующие требования:

• 1. Знать/Понимать:
• 1.1. Смысл физических понятий:

Атом, атомное ядро, ионизирующие излучения, дефект массы, энергия связи, радиоактивность;

1.2. Смысл физических законов, принципов, постулатов:

Постулаты Бора, закон радиоактивного распада; основные положения изучаемых физических теорий и их роль в формировании научного мировоззрения.

• 2. Уметь:
• 2.1. Описывать и объяснять:
• 2.1.1. Результаты экспериментов: радиоактивность;
• 2.2. Описывать фундаментальные опыты, оказавшие существенное влияние на развитие физики;
• 2.3. Приводить примеры практического применения квантовой физики в создании ядерной энергетики, лазеров;
• 2.4. Определять характер физического процесса по графику, таблице, формуле; продукты ядерных реакций на основе законов сохранения электрического заряда и массового числа;
• 2.6. Применять полученные знания для решения физических задач.

Каждый вариант экзаменационной работы состоит из 3-х частей и включает 35 заданий, различающихся формой и уровнем сложности. Распределение заданий по основным содержательным разделам курса физики приведено в таблице 2.

Таблица 2.

Распределение заданий по основным содержательным разделам курса физики в зависимости от формы заданий.

Раздел «Механика» составляет 26−34%, «Молекулярная физика» — 20−26%, «Электродинамика» — 29−37%, «Квантовая физика» — 14−23%.

Раздел «Ядерная физика» входит в первую часть работы и составляет 12%.

Анализ выполнения экзаменационной работы позволяет сделать вывод об усвоении основных законов и формул школьного курса физики по разделу «Ядерная физика», так как средний процент выполнения всех заданий составил 65%. Таким образом, можно говорить об усвоении понятийного аппарата на базовом уровне. Граница усвоения достигнута для групп заданий, проверявших следующие элементы содержания: энергия фотона, период полураспада, применение законов сохранения заряда и массового числа для ядерных реакций.

Таблица 3.

Содержание заданий типа, А по разделу «Ядерная физика» и результаты их выполнения в 2012 году.

Таким образом, усвоение данного раздела играет большую роль для учащихся. Но изучение структуры атомного ядра, процессов радиоактивного распада и механизма протекания ядерных реакций трудно усваивается школьниками, так как у учителя нет возможности показать в форме демонстрации данные явления. Поэтому при изучении раздела «Ядерная физика» учителю необходимо активно использовать различные педагогические программные средства.

Одним из наиболее перспективных направлений является компьютерное моделирование физических явлений и процессов. Компьютерные модели хорошо вписываются в традиционный урок, позволяя учителю продемонстрировать на экране компьютера многие физические эффекты, а также позволяют организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся.

Большое число компьютерных моделей по всему школьному курсу физики содержится в мультимедийных курсах, разработанных компанией «Физикон»: «Физика в картинках», «Открытая физика 2.5».

Компьютерный курс «Открытая физика 2.5» является мощным средством интенсификации занятий и повышения интереса учащихся к физике. Он рекомендуется учащимся средних школ. Учебный компьютерный курс «Открытая физика 2.5» содержит в виде отдельных модулей огромное количество интерактивных компьютерных моделей, которые позволяют наблюдать на экране компьютера симуляции физических экспериментов.

По разделу «Ядерная физика» интересен наглядный показ представлений о строении ядра. Весьма поучителен модельный показ схемы опытов Резерфорда по рассеяниючастиц на атомах золотой фольги, сопровождаемый расчетным экспериментом по упругому рассеянию; обсуждение того факта, что некоторые частицы резко меняли направление своего движения. Эти опыты чрезвычайно важны, так как явились переломным моментом в доказательстве наличия в атоме положительного заряженного ядра, обладающего малыми размерами и очень большой плотностью. Наглядны также материалы по ядерной энергетике, термоядерному синтезу, демонстрации явления радиоактивного распада.

Для рассмотрения состава атомных ядер в данном курсе используется схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер.

Рисунок 1 Схема опыта Резерфорда Для изучения энергии связи ядер используется модель «Энергия связи ядер».

Рисунок 2 Модель «Энергия связи ядер».

Модель «Ядерный реактор» используется для демонстрации превращения энергии атомного ядра в электрическую энергию. Демонстрацию цепной реакции можно приостановить.

Рисунок 3 Модель «Ядерный реактор».

Модель «Ядерные превращения» демонстрирует различные типы ядерных превращений.

Рисунок 4 Модель «Ядерные превращения».

Модель «Синтез гелия» демонстрирует ядерные реакции, сопровождающиеся образованием гелия. Такие реакции протекают в ядрах горячих звезд, в том числе в солнечном ядре.

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

Рисунок 5 Модель «Синтез гелия».

Основными достоинствами программы «Открытая физика 2.5» являются:

• — подробное описание теоретического материала;
• — теоретический материал сопровождается графиками и схемами;
• — возможность любую компьютерную модель или иллюстрацию можно открыть почти на весь экран, что позволяет эффективно использовать данный курс при демонстрациях;
• -даны модели некоторых лабораторных работ.

Недостатком ресурса является отсутствие функции сохранения числовых значений параметров экспериментов, поэтому у учителя не будет возможности заранее подготовить серию опытов с выбранными им параметрами и записать их в долговременную память компьютера.

«Библиотека электронных наглядных пособий С&М. Физика 7—11», созданное компанией «КиМ» («Кирилл и Мефодий»), — это электронное средство учебного назначения, содержащее набор информационных объектов (1 453), отражающих физические процессы и явления.

Синтез мультимедиа-компонентов (текста, звука, видео, анимации и др.), интерактивных форм взаимодействия и компьютерного моделирования обеспечивает возможность восприятия информации на зрительном, слуховом и эмоциональном уровне, что позволяет достичь наилучшего усвоения материала учеником.

«КМ-Школа» оснащена разработанными шаблонами уроков по всем темам курса «Ядерная физика». Уроки можно проводить с использованием проектора или интерактивной доски.

«КМ-Школа» включает в себя демонстрации природных явления, которые рассматриваются в курсе ядерной физики.

Объясняя процесс — распада и — распада, сопровождая его показом этих слайдов, преподаватель делает более понятным труднодоступный для школьников материал.

Рисунок 6 — и — распад Показ данного фрагмента сопровождается объяснением условий для протекания цепной ядерной реакции:

Рисунок 7 Анимация деления ядер урана Демонстрация природы ядерных сил дополняет естественно — научную картину мира:

Рисунок 8 Природа ядерных сил Интерактивный объект демонстрирует особенности строения ядра:

Рисунок 9 Строение ядра атома Рассматривается природа искусственных радиоактивных превращений:

Рисунок 10 Радиоактивное превращение азота.

Рисунок 11 Изотопы водорода Приводится реакция ядерного синтеза: основной процесс в звездах, на Солнце.

Рисунок 12 Реакция ядерного синтеза Для демонстраций принципов работы современных приборов «КМ-Школа» имеет интерактивные и видео-объекты:

Рисунок 13 Схема циклотрона.

Рисунок 14 Счетчик Гейгера Для проверки знаний в ИПП «КМ-Школа» имеется множество тренажеров и тестов:

Рисунок 15 Тест в «КМ-Школа».

«КМ-школа» решает проблему наглядности изучаемых физических явлений. Имеющиеся интерактивные, анимационные объекты, а так же видеоролики демонстрируют процессы (особенно актуально в курсе ядерной физики), которые раньше изучались лишь догматически.

Образовательный комплекс «1С: Школа. Физика, 7−11 классы: Библиотека наглядных пособий» представляет собой библиотеку мультимедиа-объектов, снабженную системой поиска. «1С: Школа. Физика, 7−11 кл. Библиотека наглядных пособий» содержит богатый набор иллюстраций, видеороликов, демонстраций, моделей и другой информации, позволяет формировать наборы объектов в соответствии с содержанием любого из 18 учебников физики для основной и старшей школы, вошедших в Федеральный перечень учебников.

Раздел «Ядерная физика» представлен различными таблицами, рисунками, фотографиями, анимациями, моделями. Просмотр таблиц, касающихся тем «Физика атомного ядра» и «Физика элементарных частиц» показал, что по темам мало таблиц — всего две. Они слишком общие (обобщающие). По данным темам нет частных таблиц, хотя темы сложные, нуждаются в конкретизации.

Рисунок 16 Таблица «Элементарные частицы».

Работа с формулами показала, что все формулы легко просмотреть или показать учащимся, но трудно куда-либо вставить — они записаны в формате Flash. Формулы можно сохранить лишь в файл и только с расширением swf, хотя в списке возможных расширений предлагались и стандартные графические jpg и пр. Не удается вставить получившийся файл и в текст MicrosoftWord.

Фотографий по данным темам мало, не больше десяти. Недостатком является то, что под фотографиями нет подписей, так как обозначения «Ядерный реактор» не достаточно. Хотелось бы наличие дополнительной информации о том, где расположен этот реактор, каковы его характеристики, какая часть станции изображена. В дополнительной информации по фотографии об этом также ничего не сообщается.

Рисунков несколько больше — 16. Но, судя по содержанию, подборка слабая, изобилует диаграммами Фейнмана как на рисунке, где показаны элементарные акты взаимодействия частиц. Их содержание даже в самых «развитых» школьных курсах физики не раскрывается.

Рисунок 18 Элементарные акты взаимодействия частиц Моделей по разделу «Ядерная физика» пять. Почти все они показаны на рисунке. Среди предложенных недостает изображений моделей ядер, моделей радиоактивных превращений.

Рисунок 19 Список моделей по разделу «Ядерная физика».

В образовательном комплексе представлено небольшое число анимаций по данному разделу, но оно компенсируется отличным их качеством. Например, анимация атомного взрыва сопровождается наглядным рассказом об устройстве бомбы, принципе её действия, прохождении взрыва, его катастрофических последствиях.

Рисунок 20 Демонстрация действия атомной бомбы Образовательный комплекс представляет интерес для практикующего учителя физики, особенно при недостаточной укомплектованности кабинета приборами. Он позволяет наглядно продемонстрировать физические опыты школьникам.

К достоинствам комплекса следует отнести каталогизатор по 18-ти учебникам: учитель может выбрать мультимедийные наглядные материалы к нужной главе используемого учебника.

Недостатком программного продукта является то, что он совершенно не предназначен для решения задач.

Программа «Физика. TeаchPro» рассчитана на выпускников школ.

Рисунок 21 Программа «Физика. TeаchPro».

Имеются 3 режима обучения:

• — пошаговый формат чтения лекций с возможностью повтора;
• — контрольный режим сопровождается по ходу лекции контрольными вопросами, на которые надо ответить (программа останавливается), при затруднении есть подсказка;
• — режим непрерывного прослушивания для случая полного понимания материала.

Продолжительность лекции 15−20 мин., поэтому можно включать её фрагментарно в школьный урок. Использованы только рисунки, видеофрагментов нет.

В программе «Физика. TeаchPro» для изучения раздела «Ядерная физика» приводится схема опыта Резерфорда по рассеиваниючастиц.

Рисунок 22 Опыт Резерфорда по рассеиваниючастиц В программе приводится пример строения атомного ядра. Приведены примеры изотопов урана и водорода.

Рисунок 23 Состав атомного ядра. Изотопы Приводится формула для расчета дефекта масс и раскрывается понятие энергии связи атомных ядер.

Рисунок 24 Энергия связи атомных ядер Рассматривается также деление ядер урана, при котором образуются нейтроны.

Рисунок 25 Ядерные реакции Приводится пример протекания цепной ядерной реакции.

Рисунок 26 Цепные ядерные реакции К недостаткам данного пособия относится то, что оно не учит формированию обобщённых, эвристических умений решения задач разного типа, не систематизирует теоретические знания на более высоком уровне, не руководит познавательным процессом. В целом в нём не заложена интерактивность действий пользователя, идеология — потребительская. Нет тренинга в самостоятельном решении задач, задачи не распределены по трудности.

Можно выделить следующие требования к обучающим программам:

• 1) Наличие анимаций, иллюстрирующих физические процессы.
• 2) Наличие моделей, с помощью которых можно было бы продемонстрировать динамику процесса, провести его исследование.
• 3) Наличие видеодемонстраций применения физических явлений и законов в медицине, промышленности и так далее.
• 4) Удобная навигация по ресурсу.
• 5) Возможность фрагментарного использования программы (для экономии времени на уроке).
• 6) Наличие разноуровневых многовариантных проверочных заданий по каждой изучаемой теме.
• 7) Удобная система оценивания выполненных учеником заданий.

Таблица 5.

Соответствие программ требованиям.