Педагогические науки/5. Современные методы преподавания

 

Руснак А.И., Кудрявцев В.В.

Московский педагогический государственный университет

Инновационные технологии в курсе

«История лазерной физики»

ХХ век можно по праву назвать не только «атомным» или «космическим», но и «лазерным». Трудно найти такие области науки и техники, где бы еще не использовались уникальные свойства лазерного излучения. В то же время в школьных учебниках физики лазерам посвящен лишь один небольшой параграф [1, 2]. В вузах лазерной тематике уделяется значительно больше внимания. Тем не менее история развития физики лазеров, ее социокультурный и методологические аспекты, научное и практическое применения лазерных технологий оказываются вне поля зрения  студентов (в том числе, студентов педагогических вузов). В результате перед физиками-методистами встал вопрос об использовании инновационных подходов к изучению этой темы.

Можно отметить два блока инноваций: тематический и методический. Другими словами, следует понять, что необходимо изучать (определить содержание учебного материала) и как это нужно делать (разработать методику его преподавания). В рамках этих блоков важно найти методические идеи и подходы, которые не только были бы новыми, но также давали бы ощутимый выигрыш, как для преподавателя, так и для слушателя.

Рассмотрим сначала тематический блок. Традиционно в лазерной  физике можно выделить фундаментальную и прикладную части. Первая из них обладает огромным методологическим и науковедческим потенциалом. Фактически с изобретением лазера был перекинут своеобразный мостик между линейной и нелинейной физикой. Значительная часть изучаемых физических явлений и законов, пришедших к нам из прошлого, носит линейный характер. Это относится и к оптике. Во второй половине ХХ в. в связи с развитием радиотехники и радиофизики, вакуумной и твердотельной электроники, в оптике возникли новые научные направления — нелинейная оптика и лазерная физика. Этот факт весьма важен, так как современная физика априори нелинейна, и ее дальнейшее развитие будет происходить именно в этом русле. Обоснование нелинейности физики XXI в. — одна из инновационных идей, которую необходимо раскрыть при изучении лазерной физики. Наряду с этим следует также учитывать, что лазерная физика может рассматриваться как раздел квантовой механики, которая, в свою очередь, интегрирована в современную физическую картину мира.

Обсудим прикладную сферу физики лазеров. Полвека назад принцип работы лазера, не был широко известен, а его практические применения можно было толковать лишь как «возможные». Сегодня же всех «профессий» лазера не перечесть. С середины 1960-х гг. ученые стали уделять значительное внимание созданию новых видов лазеров. В частности, были разработаны химические лазеры, начато использование в качестве активной среды растворов красителей, были созданы полупроводниковые, эксимерные и волоконные лазеры, подтверждено существование лазеров как  астрофизических объектов. За 50 лет бурного развития невероятно расширился частотный диапазон, в котором работают лазерные установки (начиная с радиоволнового и заканчивая рентгеновским и даже γ-диапазоном).

В течение 1970–1980-х годах прошлого века лазерные устройства активно совершенствовались: были созданы условия для уменьшения углового расхождения луча и продолжительности импульса,  для управления  спектром луча, улучшены другие параметры лазерного излучения.

В последние десятилетия важнейшей сферой применения лазеров стали средства коммуникации. Благодаря их изобретению ускорилось развитие телефонии, оптоволоконной связи, радио- и телевещания, спутниковых систем. Лазеры активно используются в различных областях науки и техники для изучения объектов микро-, макро- и мегафизики: от химии до астрофизики, от  спектроскопии до ядерной физики, от мобильной телефонии до медицины, от космических исследований до сверхглубокого охлаждения атомов. При этом многие открытия в физике лазеров отмечены Нобелевскими премиями. Однако изучение ее прикладных вопросов в школе и вузе сводится к рассказу о самых простых применениях лазерного излучения. Изменение этой ситуации — важная инновационная задача.

Перейдем ко второму блоку инноваций. Лазерная физика, как любое направление современной фундаментальной науки, математически очень сложна. В связи с этим разумно использовать для ее изучения качественные методы обучения (например, историко-физический подход), что может найти одинаковое применение как в школе, так и в педагогическом вузе. При этом, конечно, страдает глубина изложения учебного материала, однако в данном случае это допустимо, так как мы не готовим специалистов по конструированию или эксплуатации лазеров. В то же время качественные методы значительно расширяют научный и культурный кругозор обучаемых, создают необходимый эмоциональный фон и повышают интерес к изучению этой темы. Подобный подход априори инновационный. Он представляет собой нетривиальный взгляд на один из главных разделов современной физики — физику лазеров.

Вопросы лазерной физики целесообразно изучать в рамках специального (для педагогических вузов) или элективного (для профильной школы) курса «История лазерной физики». С одной стороны, это дает возможность вписать этот курс в стандартную сетку часов, а с другой стороны — использовать при его изложении современные методы преподавания (в первую очередь, компьютерные). Будучи инновационной по своей сути, лазерная физика требует для своего преподавания инновационных методов. На наш взгляд, этому наилучшим образом соответствует технология мультимедийных лекций, которая получила широкое распространение в ряде педагогических вузов.

Разработанный инновационный элективный курс «История лазерной физики» адресован учащимся 11-х классов и рассчитан на 36 учебных часов.

Он позволяет сформировать у обучаемых прочные и системные знания, детально познакомить их с историческим развитием квантовой физики, лазерных технологий, голографии и других областей современной науки. Отметим, что использование историко-физического подхода способствует гуманитаризации физического образования, что сегодня крайне важно в деле личностного воспитания учащихся.

Цели изучения курса:

¨     формирование у учащихся представлений о современной физической картине мира и научном методе познания;

¨     оказание психолого-педагогической помощи в выборе сферы будущей профессиональной деятельности;

¨     развитие творческого и ценностного отношения к изучению физики и других естественных наук, понимание специфики научной деятельности.

Задачи изучения курса:

¨     познакомить учащихся с историей развития и современными исследованиями в области лазерной физики, с биографиями ее творцов, экспериментами, оказавшими основополагающее влияние на развитие этого научного направления;

¨     дать учащимся доступные сведения о теоретических основах физики лазеров, об устройстве различных типов лазера, их научных и практических применениях;

¨     способствовать развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся.

В структуре курса можно выделить три логических блока [3]: исторический («История создания лазеров»), физический («Основы физики лазеров») и социокультурный («Устройство и применение лазеров»). Их краткое содержание приведено  в таблице.

Тема

Краткое содержание темы

История создания лазеров

Основополагающие открытия в области классической электродинамики. Разработка А. Эйнштейном теории вынужденного излучения (исторический аспект). История создания мазеров и лазеров, устройств на их основе (работы В.А. Фабриканта, Н.Г. Басова, А.М. Прохорова, Ч. Таунса, Т. Меймана, Ж.И. Алферова и др.). Нобелевские премии в области физики лазеров

Основы физики лазеров

Основы классической электродинамики Максвелла. Работы М. Фарадея и Дж.К. Максвелла. Теория излучения А. Эйнштейна. Физические основы квантового генератора. Блок-схема лазера и ее реализация в различных устройствах. Свойства лазерного излучения. Частотные характеристики лазеров

Устройство и применение лазеров

Устройство простейшего твердотельного лазера.  Газовые лазеры. Лазеры на неодимовом стекле. Жидкостные лазеры. Мазеры. Полупроводниковые лазеры. Лазеры на красителях. Эксимерные лазеры. Лазеры в технике. Лазеры в медицине. Устройства связи. Лазеры и информационные технологии. Лазеры в геофизике и космической технике. Военные применения лазерного излучения. Искусство и шоу-бизнес. Голография как следствие появления лазеров. Лазеры в природе. Астрофизические лазеры Необычные лазерные проекты. Будущее лазерной физики

Знание истории физики, как и любой истории, необходимо для гармоничного развития человека в связи с важностью осознания причинно-следственных закономерностей в окружающем мире. Известно, что знание истории физики невозможно без знания основ самой этой науки [4]. Поэтому в курс лазерной физики органически входит второй блок, который посвящен основным законам электродинамики и физическим явлениям, определяющим работу лазеров. При этом теоретический уровень изложения может быть различным в зависимости от квалификации слушателей.

Третий блок предлагаемого курса носит технический характер. Сегодня изучение лазерной физики невозможно без рассказа об устройстве лазеров различных типов и их техническом использовании. В изложение входит не только общее описание устройства квантового генератора, но и особенности, которые возникают при использовании разных типов систем с инверсной заселенностью, систем накачки, устройств обратной связи. Значительное внимание уделено современным типам лазеров. Что касается их использования в народном хозяйстве и в быту, предпочтение отдается современным применениям — в компьютерной технике, связи, в космических исследованиях, и другим инновационным устройствам.

Приведенный вариант программы носит общий характер и может быть скорректирован (как по тематике, так и по учебному времени).

К формам изучения элективного курса относятся: мультимедийная лекция, семинар, практикум, учебная конференция, урок контроля знаний. Поскольку компьютерные технологии активно внедряются в процесс обучения, слушатели курса по лазерной физике ждут от преподавателя широкого использования мультимедиа технологий. Мультимедиа технология рассматривается как информационная технология обучения, интегрирующая аудиовизуальную информацию любых форм, реализующая интерактивный диалог пользователя с системой и разнообразные формы самостоятельной деятельности по обработке информации [5].

Ведущей формой изучения элективного курса является мультимедийная лекция. При этом могут быть использованы и другие формы  обучения, например те, которые отвечают за контроль знаний. В то же время компьютерный практикум по лазерной физики пока не применяется в должной мере в силу сложности его разработки и реализации.

Кратко перечислим методы изучения элективного курса.

¨     Методы организации учебно-познавательной деятельности: словесные, наглядные, практические.

¨     Методы стимулирования учебной деятельности: дискуссии, формирование познавательного интереса.

¨     Методы контроля деятельности: индивидуальный и фронтальный опросы, тестовая проверка знаний, создание итоговых презентаций.

Аналогичный курс по лазерной физике разработан и для магистров науки педагогического вуза. В его основу положены историко-физический подход и те же дидактические и методические принципы. Курс отличают  ярко выраженная педагогическая направленность, а также более глубокое содержание учебного материала.

Таким образом, историю физики лазеров можно рассмотреть с нескольких позиций. Например, с физической. Студенты осваивают данный материал с высоты уже полученных знаний на протяжении всего обучения в университете. В предлагаемом курсе к физической позиции прибавляется историческая, поскольку именно благодаря великим умам того времени, мы получили высокий уровень научных технологий, которые используем в повседневной жизни. Курс можно рассматривать и с социокультурной точки зрения, так как лазерные технологии оказали значительное влияние на формирование современного информационного общества.

Инновационные подходы (в том числе, историко-физический и компьютерный) к преподаванию современной физики (на примере физики лазеров) могут быть успешно использованы для развития познавательного интереса студентов и школьников, расширения их научного и культурного кругозора, а также в подготовке к выбору будущей профессии.

 

Литература:

1.     Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Квантовая физика. 11 класс. Профильный курс. — М.: Дрофа, 2010.

2.     Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. 11 класс. — М.: Мнемозина, 2009.

3.     Ильин В.А., Руснак А.И., Виноградова Н.Б. История лазеров. Курс мультимедийных лекций // Физика в системе современного образования. — 2011. — Т. 1. — Волгоград: Перемена.

4.     Ильин В.А. История физики. — М.: Академия, 2003.

5.     http://for-teacher.ru/78-multimedia-tehnologii-v-obrazovanii.html

(материалы для учителя «Мультимедиа технологии в образовании»).