CC BY
5
УДК 378:539.1 DOI: 10.31862/2218-8711-2023-4-235-244
ББК 74.48
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ РАЗДЕЛОВ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ В ВУЗАХ НА ОСНОВЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
IMPROVEMENT OF THE METHODOLOGY OF TEACHING SECTIONS OF NUCLEAR PHYSICS IN HIGHER EDUCATION INSTITUTIONS ON THE BASIS OF INNOVATIVE TECHNOLOGIES
Юсупов Дилмурод Абдурашидович
Старший преподаватель, Наманганский государственный университет, Республика Узбекистан
E-mail: dilmurod.yusupov.2020@inbox.ru
Yusupov Dilmurod A.
Senior Lecturer, Namangan State University,
Republic of Uzbekistan
E-mail: dilmurod.yusupov.2020@inbox.ru
Аннотация. В данной работе предложена усовершенствованная методика преподавания разделов ядерной физики с помощью компьютерных технологий на основе современных достижений науки и инновационных технологий. Изложенные в статье результаты экспериментальных работ показывают, что применение инновационных технологий в виде наглядных демонстрационных средств эффективно формируют современное научное мировоззрение студентов. Также на основе анализа преимуществ и недостатков всех видов источников энергии была предложена аналитическая таблица, наглядно показывающая приоритетность современных ядерных
Abstract. This work proposes an improved methodology for teaching sections of nuclear physics with the use of computer technology, based on modern scientific achievements and innovative technologies. The results of experimental works presented in the article show that the use of innovative technologies in the form of visual demonstration tools effectively form the modern scientific worldview of students. Also, based on the analysis of the advantages and disadvantages of all types of energy sources, an analytical table is presented, which shows the priority of modern
Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License The content is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
© Юсупов Д. А., 2023
источников энергии и высоким уровень их безопасности.
nuclear energy sources and their high safety level.
Ключевые слова: современные технологические устройства, масса и энергия, вычислительная техника, инновационные технологии, электронная программа, учебник, анимация, слайды, ядерные процессы, реакции, радиация, деление ядер, нейтроны, радионуклидная опасность, экологическая устойчивость, атомные реакторы, источники энергии, устойчивое энергоснабжение, аналитическая таблица, энергия будущего, экспериментальная проверка.
Keywords: modern technological devices, mass and energy, computer science, innovative technologies, an electronic program, a textbook, animation, slides, nuclear processes, reactions, radiation, nuclear fission, neutrons, radionuclide hazard, environmental sustainability, nuclear reactors, energy sources, a sustainable energy supply, an analytical table, energy of the future, the experimental verification.
Для цитирования:
Юсупов Д. А. Совершенствование методики преподавания разделов ядерной физики в вузах на основе инновационных технологий // Проблемы современного образования. 2023. № 4. С. 235-244. DOI: 10.31862/2218-8711-20234-235-244.
Cite as: Yusupov D. A. Improvement of the methodology of teaching sections of nuclear physics in higher education institutions on the basis of innovative technologies. Problemy sovremennogo obrazovaniya. 2023, No. 4, pp. 235-244. DOI: 10.31862/22188711-2023-4-235-244.
Изучение ядерной физики играет очень важную роль в формировании у студентов научных мировоззрений и приобретении современного представления о строении материи. Темы ядерной физики в разделе квантовой физики имеют большое значение, а процесс их изучения требует применения сложных демонстрационных аппаратур и умения в определенной степени абстрагировать.
Анализ имеющейся в настоящее время учебной и методической литературы по ядерной физике показывает, что материалов по определенным темам, предлагаемым в данной области физики, недостаточно для приобретения студентами новых базовых знаний. На основе детального изучения содержания параграфов учебных материалов по таким темам, как ядерные модели, ядерные реакции, атомные реакторы и ядерная энергетика, можно сделать следующие выводы.
Для изучения ядерной физики отведено недостаточно часов, некоторая информация не обновлена новыми знаниями и понятиями, учебный материал объясняется устаревшими фактами. Также отсутствие возможности проведения непосредственных опытов и наблюдений или их сложность, большой объем учебного материала по теме затрудняет понимание самой сути ядерных процессов. Эти факторы приводят к тому, что знания и навыки у студентов формируются не на должном уровне [1, с. 153]. В результате данная ситуация в образовании может привести к тому, что новое поколение не сможет с научной точки зрения оценить и сформировать адекватное отношение
к развитию атомной энергетики, видам ядерных реакций, новому поколению АЭС, их степени безопасности, напрямую связанных с развитием общества.
В «Концепции создания системы непрерывного образования на основе инновационных технологий» Республики Узбекистан [2, с. 7, 26] отмечается важность создания национальной системы образования, способной конкурировать в мировом масштабе, совершенствования учебников и учебных пособий исходя из современных требований, создания их нового поколения, оптимизации учебных программ и образовательных стандартов. В то же время содержание изучаемых в настоящее время учебных тем значительно отстает от содержания принципов работы современных устройств, действующих в реальной жизни.
Высвобождение энергии в реакциях деления ядра объясняют переходом дефекта масс в энергию на основе эквивалентности массы и энергии, и она является источником ядерной энергии. Однако обратный процесс, то есть переход энергии в массу, имеющий принципиальное значение для понимания структурных элементов Вселенной, не включены в образовательный процесс ядерной физики. В настоящее время имеются данные о результатах столкновения высокоэнергетических протонов в большом кол-лайдере, где показано образование гравитационной массы за счет энергии, что доказывает с другой стороны эквивалентность энергии и массы. Кроме этого, не включены в программу представления о масштабах радиационного воздействия на окружающую среду при развитии атомной энергетики в мире и динамике изменения ее роли в экологии. В учебниках не освещены принципы работы новых поколений атомных электростанций. Устранение вышеуказанных недостатков путем совершенствования методики обучения ядерной физики с помощью дидактических средств с использованием инновационных технологий и компьютерных средств является одной из актуальных задач современного образования.
При обучении ядерной физике объяснение ядерных моделей и различных ядерных процессов ведется традиционными методами, и в настоящее время недостаточно внимания уделяется методам с использованием новых инновационных компьютерных технологий.
В частности, практически отсутствуют работы с использованием ИКТ, посвященные обучению темам, связанным с современными достижениями науки. В связи с этим поднятие качества знаний по ядерной физике на более высокий уровень и устранение разрыва между необходимостью формирования современного видения ядерных процессов и недостаточной изученностью методики преподавания ядерной физики на основе инновационных информационных технологий является одной из проблем обучения ядерной физике.
Ресурсы учебных информационных технологий предоставляют широкие возможности для моделирования и анимационного изображения изучаемых процессов, творческого развития мыслительных способностей студентов, наглядного представления учебной информации, проведения лабораторных работ в условиях компьютерных экспериментов и, самое главное, формирования интереса к обучению путем имитационного отображения реальной ситуации на мониторе [3, с. 449].
С целью совершенствования методики преподавания разделов ядерной физики с использованием вышеуказанных возможностей ИКТ, первоначально было обеспечено соответствие содержания учебных материалов государственному образовательному стандарту и достижениям научно-технического прогресса. При выборе учебного содержания ядерной физики принимались во внимание экологические ее аспекты и необходимость обосновать физическую природу понятий, таких как физическое явление, физическая величина, модель, идея, теория, атомное ядро, дефект массы, энергия связи, радиоактивность, ионизирующее излучение, которые должны соответствовать фундаментальным законам и обеспечивать их научность.
Модульную структуру содержания учебного материала по ядерной физике, логически связанную, можно выбрать следующим образом. Атомное ядро - ядерные изменения - ядерная энергетика - воздействие ионизирующих лучей на живой организм. При изучении теории атомного ядра возникает необходимость использования ядерных моделей для выражения свойств ядра, включающих в себя две взаимосвязанные реакции - реакция ядерного синтеза и реакция деления ядра.
При этом использование и выбор необходимой модели, характеризующей отдельные свойства ядра либо дающей понимание того или иного процесса, демонстрация пределов и возможностей их применения требует особое внимание. Для каждой модели непосредственное использование компьютерных программ позволяет расширить существующие учебные сведения о свойствах и структуре ядра и получить информацию о том, что универсальная модель ядра еще не создана.
Мы считаем, что в учебных материалах необходимо предоставить информацию не только о вышеуказанных ядерных явлениях и понятиях, а также современных АЭС, но и обогатить их темами о теории и экспериментах, доказывающих, что энергия может быть преобразована в массу. Преподавание же данных тем на основе различных инновационных образовательных технологий играет важную роль в расширении научного кругозора студентов [4, с. 57].
Следует отметить, что если изучение такого количества информации традиционным способом занимает много времени, то использование ИКТ не только экономит время, но и облегчает восприятие сути материала образным представлением информации. Также одним из важных вопросов ядерной физики является представление процесса деления ядер как источника энергии. Понимание процесса ядерного деления и самовосстановления реакций деления путем создания математических моделей увеличения нейтронов и вероятностей развития и угасания ядерных реакций также сформирует полную картину природы управления ядерными реакциями. Другой центральный вопрос состоит в том, чтобы сформировать в воображении студентов реалистическое представление о физических основах ядерной энергетики и опасностях радиационных излучений.
Каждая страна, в соответствии с ее природным расположением, изучая, какой вид источника энергии имеет благоприятные условия для его создания, выбирают оптимальный вид источника. При этом путем анализа сильных и слабых его сторон для достижения стабильного и достаточного энергоснабжения определяет, какие
виды источников энергии имеют приоритетное направление в экономическом и социальном развитии данного региона.
С этой целью мы проанализировали преимущества и недостатки всех видов источников энергии, приведенных в соответствующей литературе, и предложили таблицу, позволяющую сопоставить их с характеристиками ядерной энергетики. Эта таблица позволит студентам оценить роль ядерной энергетики в социальной жизни людей (табл. 1) [5, с. 7].
Таблица 1
Важные характеристики ядерных и других видов зеленых источников энергии в социальной и экономической жизни
£ Энергетический ресурс Стабильный уровень обеспечения По резерву долгосрочный Экологическая чистота Достаточная мощность Размер занимаемой площади Уровень безопасности Удобство в строительстве Возможность мобильности Коэффициент полезного действия Степень возможности долгосрочной работаты
1 Ядерная энергия + + V + - + □ + + +
2 Малые гидростанции V + + □ Д + + - □ +
3 Крупные гидростанции + + V + + Д □ - □ +
4 Солнечная энергия Д + + - - + + + - □
5 Энергия ветра Д + + - - + + + - □
6 Геотермальные источники тепловой энергии - - + - - + + - - □
7 Биоэнергетические устройства - - + - - + + + - -
8 Электростанции поверхностного тока океанов - + + - + - + - - +
9 Волновые электростанции - + + - + + + - - Д
10 Энергия от переработки отходов - - + - - + + - - -
Обозначения: «+» - высокий; «V» - выше среднего; «□» - средний; «Д» - ниже среднего; "-" - низкий.
Из табл. 1 видно, что ядерные, гидро-, ветровые и солнечные источники энергии по сравнению с другими имеют преимущество в таких важнейших показателях энергоснабжения, как стабильность, долгосрочность, способность обеспечить достаточную мощность, экологическая безопасность.
Истощение топливных источников энергии, всего вреда, который они наносят окружающей среде и здоровью человека из-за изменения климата, сопоставляя безопасность современных усовершенствованных АЭС, а также анализируя возможности зеленой энергетики, необходимо показать учащимся, что атомные электростанции являются одним из самых безопасных и важнейших источников энергии в условиях Республики Узбекистан. Все это во многом поможет сформировать современные представления об удобстве и надежности использования современных ядерных источников энергии. В то же время подготовка отечественных специалистов в области атомной энергетики в ведущих вузах России также укрепляет эту уверенность.
Как было отмечено выше, использование различных существующих современных компьютерных программ, таких как: "TechSmith Camtasia", "MXSAFlash", "ActivePresenter", "EasyOшzzy", "АиШР1ау MediaStudio", а также использование разработанных нами приведенных на рис. 1 электронных учебников: «Ядерные реакции» [7], «Атомная энергетика» [8], «Современные атомные реакторы и механизмы их действий», созданных с учетом результатов научных достижений, - эффективно способствуют изучению атомной энергетики нового поколения.
При этом организация эффективного использования демонстрационных презентаций с помощью различных компьютерных программ, особенно позволяющих наблюдать за динамикой ядерных реакций и принципом работы энергетических устройств и показывающих возможности вмешаться в протекающие в них процессы, приводит к освоению предмета с интересом.
Рис. 1. Электронные учебники по разделам «Ядерные реакции» и «Атомная энергия» учебного предмета «Физика ядра и элементарных частиц» (свидетельство № DGU 14456, свидетельство № DGU 16875)
Данные электронные программы (см. рис. 1) созданы на языках программирования Delphi, Java, C++, Python с использованием современных возможностей компьютера. С помощью данных программ были усовершенствованы и введены в курс ядерной физики демонстрационные программы. С помощью этих программ
осуществлялись анимация синтеза термоядерных реакций, процессов деления ядра, презентация процессов работ первой, а также современной атомной электростанций, таблица критериев оценки степени их безопасности, анимация видов ядерных реакторов, презентация реакции деления ядра, а также протон-нейтронная модель ядра. Данные программы прошли учебные испытания в Наманганском государственном университете.
На основе совершенствования традиционных методов обучения с помощью созданных электронных учебников, виртуальных лабораторий, видеороликов и презентаций, с целью определения эффективности результатов обучения ядерной физике и степени формирование представлений у студентов о законах физики, лежащих в основе современных технических разработок в этой области, первоначально были определены предпосылки, цели и задачи педагогического эксперимента, а также учтены недостатки, выявленные в ходе многолетнего обучения ядерной физике.
Педагогические эксперименты проходили в три этапа, первым этапом было изучение методов преподавания курса ядерной физики, реального состояния теоретических и лабораторных работ студентов направления физики Наманганского государственного университета в 2012-2017 гг., на их основе определялась необходимость использования информационных технологий для устранения выявленных проблем и совершенствовалась методика обучения курса ядерной физике.
На втором этапе (2017-2020 гг.) было изучено содержание учебных материалов. В результате была предложена методика обучения, обогащающая содержание учебных тем с помощью информационных технологий. Данная методика была рекомендована преподавателям ядерной физики Наманганского, Андижанского и Ферганского государственных университетов, где были проведены методические семинары и даны методические рекомендации по использованию данной методики. Также были проведены эксперименты по изучению ядерной физики студентами. В 2019-2020 гг. определялись результаты усовершенствованной методики обучения.
На третьем этапе (2020-2021 гг.) были проведены контрольные экспериментальные работы. В экспериментальной и контрольной группах преподавался курс ядерной физики, анализировались результаты педагогического эксперимента. Разработанные методические указания были статистически обработаны и внедрены в учебный процесс.
По результатам анализа результатов педагогического эксперимента установлено, что знания, умения и навыки студентов экспериментальной группы, вовлеченных в исследовательский процесс, являются эффективными по сравнению со студентами контрольной группы. Для объективной оценки данного утверждения был проведен статистический анализ, где были выбраны методы Стьюдента и Пирсона. Эти методы дают возможность определять и объективно оценивать показатели, зафиксированные в двух группах. Согласно сущности математического статистического метода, на начальном этапе статистические показатели, зарегистрированные в экспериментальной и контрольной группах, были определены как выборки. Диаграмма, представленная на рис. 2, построена путем создания вариационных рядов по оценочным показателям.
%
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 О
■ Высокий 62 24 I Хороший 88 56
■ Средний 25 91
Низкий 17 30
Рис. 2. Итоговая диаграмма педагогического эксперимента по совершенствованию методики преподавания разделов ядерной физики в вузах на основе инновационных технологий, %
Из диаграммы видно, что высокие и средние показатели в экспериментальной группе выше, чем в контрольной группе.
Результаты педагогических экспериментов показывают, что методика преподавания ядерной физики эффективна, так как отмечается, что качество образования повысилось на 38%. В качестве критерия эффективности методики обучения были определены такие показатели, как логичность, систематичность, точное обоснование ответов, осмысленность, полнота знаний.
Заключение
• С помощью программ, созданных на основе информационных технологий: "TechSmith Camtasia", "MXSAFlash", "ActivePresenter", "EasyOuizzy" и "AutoPlay MediaStudio", и разработанных нами дополнительных электронных учебников: «Ядерные реакции», «Атомная энергия», «Современные ядерные реакторы и механизмы их работы» - совершенствовалась существующая методика преподавания ядерной физики, сочетающая в себе все достижения современной науки.
• Создана таблица, позволяющая сравнить важные характеристики ядерных и других видов источников энергии в социальной и экономической жизни. Анализ этой таблицы поможет студентам оценить возможности источников энергии и понять необходимость использования зеленой и ядерной энергии вместо вредных для экологии и здоровья человека источников ископаемого топлива. Данную таблицу можно использовать для анализа и выбора собственной энергетики в любой стране.
• В центре методики преподавания ядерной физики на основе компьютерных технологий находится содержание учебных материалов, а преподаватель является
Экспериментальная группа
Контрольная группа
Высокий Хороший Средний Низкий
организатором учебной деятельности студентов, компьютер выполняет функцию использования информационных технологий. • Результаты экспериментальных работ показали, что обогащение содержания учебных материалов разделов ядерной физики достижениями научно-технического прогресса, а их преподавание в наглядной презентационной форме приводит к повышению уровня знаний учащихся и активизации учебного процесса.
Список литературы
1. Новые педагогические и информационные технологии в системе образования / Е. С. Полат [и др.]. М.: Академия, 2008. 269 с.
2. Об утверждении концепции развития системы высшего образования республики Узбекистан до 2030 года. Указ Президента Республики Узбекистан № УП-5847. 8 октября 2019 г. Национальная база правовой информации, 18.03.2022 г., 22.06.89/0227.
3. Кучкаров Х. О., Юсупов Д. А. Актуальные проблемы и решения повышения эффективности преподавания фундаментальных наук // Академические исследования в области педагогических наук. 2021. Т. 2. С. 448-455.
4. Маматкаримов О. О., Кучкаров К. О., Юсупов Д. А. Атомное ядро и физика элементарных частиц: метод. пособие. Наманган: Наманганское изд-во, 2022. 256 с.
5. Кучкаров Х. О., Юсупов Д. А. Способы обучения путем сравнения уровней безопасности и перспективы различных источников энергии // Современное образование. 2022. № 5 (114). С. 16-24.
6. Детинич Г. Канада первой на планете признала атомную энергетику экологически чистой. URL: https://3dnews.ru/1076925/kanada-pervoy-na-planete-priznala-atomnuyu-energetiku-ekologicheski-chistoy (дата обращения: 05.11.2022).
7. Юсупов Д. А., Маматкаримов О. О., Кучкаров Х. О. Электронный учебник по разделу «Ядерные реакции» физики ядра и элементарных частиц. Агентство Республики Узбекистан по интеллектуальной собственности. Ташкент, 2021. Сертификат № ДГУ 14456.
8. Юсупов Д. А., Маматкаримов О. О., Кучкаров Х. О. Электронный учебник по физике ядра и элементарных частиц кафедры «Атомная энергия». Агентство Республики Узбекистан по интеллектуальной собственности. Ташкент, 2021. Сертификат № ДГУ 16875.
References
1. Polat E. S. Et al. Novye pedagogicheskie i informatsionnye tekhnologii v sisteme obrazovaniya. Moscow: Akademiya, 2008. 269 p.
2. Ob utverzhdenii kontseptsii razvitiya sistemy vysshego obrazovaniya respubliki Uzbekistan do 2030 goda. Ukaz Prezidenta Respubliki Uzbekistan No. UP-5847. 8 oktyabrya 2019 g. Natsionalnaya baza pravovoy informatsii, 18.03.2022 g., 22.06.89/0227.
3. Kuchkarov Kh. O., Yusupov D. A. Aktualnye problemy i resheniya povysheniya effektivnosti prepodavaniya fundamentalnykh nauk. Akademicheskie issledovaniya v oblasti pedagogicheskikh nauk. 2021, Vol. 2, pp. 448-455.
4. Mamatkarimov O. O., Kuchkarov K. O., Yusupov D. A. Atomnoe yadro i fizika elementarnykh chastits: metod. posobie. Namangan: Namanganskoe izd-vo, 2022. 256 p.
5. Kuchkarov Kh. O., Yusupov D. A. Sposoby obucheniya putem sravneniya urovney bezopasnosti i perspektivy razlichnykh istochnikov energii. Sovremennoe obrazovanie. 2022, No. 5 (114), pp. 16-24.
6. Detinich G. Kanada pervoy na planete priznala atomnuyu energetiku ekologicheski chistoy. Available at: https://3dnews.ru/1076925/kanada-pervoy-na-planete-priznala-atomnuyu-energetiku-ekologicheski-chistoy (accessed: 05.11.2022).
7. Yusupov D. A., Mamatkarimov O. O., Kuchkarov Kh. O. Elektronnyy uchebnik po razdelu "Yadernye reaktsii" fiziki yadra i elementarnykh chastits. Agentstvo Respubliki Uzbekistan po intellektualnoy sobstvennosti. Tashkent, 2021. Sertifikat No. DGU 14456.
8. Yusupov D. A., Mamatkarimov O. O., Kuchkarov Kh. O. Elektronnyy uchebnik po fizike yadra i elementarnykh chastits kafedry «Atomnaya energiya». Agentstvo Respubliki Uzbekistan po intellektualnoy sobstvennosti. Tashkent, 2021. Sertifikat No. DGU 16875.
Интернет-журнал «Проблемы современного образования» 2023, № 4
Статья поступила в редакцию 03.01.2023 The article was received on 03.01.2023
