CD по физике глазами учителя

Бурное развитие средств информационных и коммуникационных технологий в настоящее время значительно опережает возможности общества по их эффективному использованию, особенно по рациональному наполнению содержательной информацией. Рассмотрим, например, мультимедийные электронные издания образовательного назначения (ЭИОН). Как правило, это учебно-методические комплекты, обеспечивающие возможность (в том числе самостоятельного) освоения учебного курса с помощью компьютера. Многие ЭИОН содержат три компонента: теоретическую часть; задачи и упражнения для закрепления знаний; тесты для достаточно объективной их оценки.

Совершенно очевидно, что с любым текстом гораздо удобнее работать «на бумаге», нежели на экране компьютера. Поэтому обычный учебник сохранится еще долго. Электронные издания должны дополнять или превосходить обычные учебники, что возможно, только если они:

Посмотрим, как реализуются эти подходы в трех мультимедийных ЭИОН по физике, можно ли найти им применение в учебном процессе.

1. Мультимедийный самоучитель «TeachPro. Физика. Механика»

Форма подачи теоретического материала заслуживает одобрения: учащийся прослушивает лекцию, видит перед собой формулы, выражающие физические законы и поясняющие иллюстрации. Ученик может сколько угодно раз повторно прослушивать непонятные или не запомнившиеся места. Последним обстоятельством электронная лекция явно выигрывает в сравнении с «живой», ведь вставить вопрос в ходе последней ученик зачастую не решается, опасаясь насмешек со стороны одноклассников. Кроме того, не нужно тратить время всего класса на повторение части материала, которую не понял или не расслышал один.

Большим плюсом является возможность выбора одного из четырех режимов обучения. Очень перспективно использование контрольного режима, когда по ходу лекции слушателю задаются вопросы.

Вместе с тем при работе с этим самоучителем меня не покидало ощущение, что мой виртуальный репетитор все время куда-то торопится, то и дело упуская очень важные аспекты. Так, например, понятие потенциальной энергии дается в этом курсе вне связи с центром тяжести тела. Это было бы справедливо для точечных тел, но издание не указывает на это обстоятельство. В качестве исследуемого тела изображается шар, размеры которого вполне сопоставимы с высотой, на которую его поднимают. Высота отсчитывается от поверхности Земли до нижней точки шара.

Какие же выводы могут сделать для себя учащиеся? Я проделал следующий эксперимент. Десять учеников изучали 20 минут эту главу, после чего им были предложены вопросы:

На первые два вопроса все учащиеся дали вполне удовлетворительные ответы. Ответы на последний вопрос звучали примерно так: «Под величиной h следует понимать высоту, на которой тело находится от поверхности Земли».

Тогда последовал вопрос: «От поверхности Земли и до какой точки тела следует отсчитывать высоту h?» Подавляющее большинство (восемь учащихся) затруднились. И лишь два наиболее внимательных ответили: «От поверхности Земли до нижней точки тела».

Затем все ученики еще раз 10 минут просматривали соответствующую главу, и все согласились с вышеприведенным ответом.

На следующем этапе эксперимента учащимся было предложено рассчитать потенциальную энергию столба массой m и высотой h, стоящего на поверхности Земли. Естественно, все они пришли к одному и тому же ответу: «Потенциальная энергия столба равна нулю». Ответ, разумеется, неправильный, но логически вытекающий из теоретического материала, который они изучали.

Далее учащимся было предложено решить задачу: «Обезьяна массой m сидит на суку на высоте h от поверхности Земли. Определите потенциальную энергию обезьяны для двух случаев, когда хвост обезьяны: а) выше уровня ветки; б) касается земли». Конечно же, это задача-шутка, но после того, как от просмотра рисунков ученики перешли к решению, улыбки на их лицах сменились выражением крайней растерянности и недоумения. Еще бы: обезьяньим хвостом вдруг начисто сметается их прежнее простое и удобное представление о потенциальной энергии!

Мнения разделились. Трое решили, что потенциальная энергия обезьяны E_p= mgh, а ee изменением вследствие махания хвостом можно пренебречь. Остальные же не дали определенного ответа, но привели рассуждения, более ценные с точки зрения понимания физического смысла потенциальной энергии. Отмечу, что все интуитивно подошли к понятию центра тяжести. Дав учащимся вдоволь порассуждать, я четко сформулировал понятие потенциальной энергии уже через высоту центра тяжести тела над уровнем нулевого потенциала. После этого ребята свободно решили задачу о потенциальной энергии столба, а также указали мне на нехватку данных в задаче о потенциальной энергии сидящей на суку обезьяны.

Какой же вывод можно сделать из этого эксперимента? Содержательное наполнение обсуждаемого электронного издания оставляет желать лучшего. Составители программ должны предвидеть вопросы, которые могут возникнуть у пользователя. Наивно предполагать, что автор главы о потенциальной энергии не знаком с понятием центра масс. Но о центре масс ничего не сказано. К чему приводят такого рода недомолвки, видно из вышеописанного эксперимента.

Вполне понятно желание разработчиков подать каждый урок в лаконичном виде. Но если учащийся не в состоянии дать ответ на элементарные, в сущности, вопросы, то данное пособие вряд ли достигнет главной цели: дать верное понимание физических законов и явлений.

По этой причине считаю целесообразным подавать теоретический материал в более развернутом виде, не допускающем досадных недомолвок и приводящих к неправильному пониманию основных законов.

Несколько слов о задачах. Судя по большому количеству разнотипных задач с решениями, вошедших в обсуждаемый самоучитель, авторы правильно понимают их огромное значение для обучения физике. Но опять же чрезмерная сжатость приводит к превращению самоучителя в простой задачник, причем из обширного арсенала методов обучения решению задач авторы избрали лишь один – изучение уже готовых решений. Как показывает мой личный опыт, при таком подходе большинство учащихся приобретают навыки решения задач только конкретного типа, аналогичных изученным. В этом плане большинство печатных изданий выигрывает, поскольку они сначала знакомят с общими способами и методами.

Должно существовать некое переходное звено между изложением теоретического материала и непосредственным решением задач. Ведь для эффективного решения задач одного знания фундаментальных законов физики недостаточно, необходимо овладеть еще и методологическими принципами, такими, как принципы причинности, симметрии, относительности, эквивалентности и т.д. Понятно, что все эти навыки в основном и приходят во время решения конкретных задач, но если ученик видит перед собой лишь голые формулы, практически без комментариев, то вряд ли он вынесет из такого образца решения нечто большее, чем просто алгоритм решения конкретной задачи. Приводимые решения на каждом этапе должны содержать в себе подробные комментарии, поясняющие, какие законы и почему следует применять при анализе каждого конкретного явления.

Хотелось бы подчеркнуть еще одно немаловажное обстоятельство. В рассматриваемом самоучителе условия всех задач предлагаются на слух. На мой взгляд, это не вполне оправдано. Ведь главная цель – подготовить к успешной сдаче экзамена, на экзамене же условия задач даются визуально. Поэтому и в процессе подготовки обучаемый должен иметь перед собой текст с условием задачи (что не исключает и параллельного звукового воспроизведения). Осмелюсь утверждать, что далеко не все могут адекватно воспринимать на слух условия задач даже средней сложности.

Нельзя не отметить еще одно, быть может, самое главное упущение авторов – решения задач не сопровождаются анализом ответов. Это превращает получение ответа в самоцель, в то время как ответ должен помогать учащимся более глубоко понять смысл физических законов, всесторонне осознать связь между физическими величинами.

Получив расчетную формулу, необходимо проанализировать ее: выяснить, как меняется искомая величина при изменении других величин, функцией которых она является. Кроме того, часто такой анализ помогает выявить ошибочное решение, наталкивая, таким образом, на правильное. Приведем пример.

Проанализируем этот ответ. Пусть угол

Ясно, что высота подъема конькобежца при этом

а уравнение примет вид:

т.е. подъем – наибольший. Другими словами, конькобежец, ударившись о вертикальную ледяную стену, вопреки всем законам физики поднимется на нее. [В условии задачи не приводятся численные данные. Поэтому необходимым является уточнение

которое накладывает ограничение на величину угла a. В этом случае нельзя экстраполировать ответ для

– Ред.]

Итак, анализ ответа необходим хотя бы для того, чтобы убедиться в его правильности. Но самая большая ценность состоит в том, что именно анализ обеспечивает совершенно необходимую обратную связь между решением задачи и теоретическим материалом. Вот этого-то и нет в обсуждаемой разработке.

Прежде всего стоит отметить, что совершенно неоправданно из числа потенциальных пользователей этим пособием исключены учащиеся 7–8-х классов. Ведь именно в этих классах прививается интерес к физике! Но рассмотрим данное учебное пособие именно как пособие «для абитуриентов, старшеклассников и учителей».

Опишем в общих чертах выбранную форму обучения. Львиная доля информации дается в виде печатного текста. Возникает законный вопрос: а стоит ли использовать компьютер, если читать текст можно и в печатном издании? Предвижу возражение, что в программе имеются интерактивные модели, иллюстрации, компьютерные анимации и видеофрагменты. Об их качестве и эффективности поговорим отдельно. Но факт остается фактом: доминирующим элементом обучения здесь является чтение печатного текста. А такое чтение для большинства школьников – весьма скучное занятие. Совсем другое дело, когда по ходу интерактивной лекции то и дело задаются интересные вопросы, ответить на которые можно, только будучи очень внимательным слушателем (практически эта идея реализована в рассмотренном выше мультимедийном самоучителе «Teach Pro. Физика», контрольный режим).

Несколько слов о качестве текста. Как известно, физика оперирует как векторными, так и скалярными величинами. Очень важно научить школьников понимать различие между ними. И здесь очень тонкий момент в форме обозначения, поскольку физическая величина, обозначенная одной и той же буквой, может нести различную смысловую нагрузку. Рассмотрим, например, два символа: F и F. И в том и в другом случае речь идет о силе. Но в первом случае имеется в виду модуль силы, во втором – сила как векторная величина. Путая эти понятия, легко превратить в абсурд любую физическую формулу.

Самыми распространенными способами являются обозначение вектора стрелкой и выделение его жирным шрифтом. Безусловно, первый способ нагляднее. Именно поэтому обозначение векторов с помощью стрелки является общепринятым для школьных учебных пособий. К тому же даже на мониторах высокого качества выделение жирным шрифтом практически незаметно. Тем не менее разработчики «1С: Репетитор. Физика 1.5» избрали именно такое выделение. К чему это приводит, посмотрим на конкретном примере.

Математическая запись принципа суперпозиции полей дается так:

и разобраться, какая из приведенных в данной записи величин является векторной, а какая – скалярной, довольно проблематично.

По поводу формы изложения: учебный материал изобилует элементами дифференциального и интегрального исчислений, что накладывает на пользователей дополнительную учебную нагрузку. Вполне понятно желание преподнести всевозможные физические законы в строгой форме и на высоком научном уровне, но не следовало бы забывать, для кого, собственно, предназначен этот продукт, – это перегруженные школьной программой старшеклассники и, как правило, испытывающие дефицит времени абитуриенты.

В текстовой информации материал для обязательного изучения должен быть логически отделен от материала дополнительного, не входящего в школьную программу. В данном учебном пособии такого разделения, к сожалению, не существует. Так, например, в рамках темы «Волны в упругой среде. Звук» авторы рассматривают эффект Доплера, в теме «Первый закон термодинамики» – опыт Джоуля и т.д.

В конце каждой темы авторы предлагают по две задачи. О них хотелось бы поговорить особо. Начнем с того, что двух задач явно недостаточно, их должно быть по крайней мере на порядок больше. Кроме того, каждое приводимое решение должно содержать подробнейшие комментарии, чтобы учащиеся могли овладеть общей методикой решения задач этого типа. Рассмотрим пример.

«Координата камня в произвольный момент времени t задается выражением .

Очевидно, что в методологическом плане данное решение практически ничего не дает учащимся. Более того, оно прививает им ложные знания. А именно, упущено из виду то важнейшее обстоятельство, что скорость является величиной векторной, и найти скорость – значит указать как ее модуль, так и направление.

В каком же виде следовало бы дать решение этой задачи?

Можно предложить следующий алгоритм решения кинематических задач:

С учетом приведенных выше рекомендаций решение рассмотренной выше задачи примет следующий вид:

2. Выбираем систему отсчета. Поскольку в условии задачи высота отсчитывается от поверхности земли, ось OY удобно направить вертикально вверх. Начало отсчета расположим на уровне земли.

3. Записываем кинематическое уравнение движения в проекциях на ось OY:

В нашей задаче y₀ = H, a_y= –g (направление противоположно направлению оси OY). Знак проекции начальной скорости на данном этапе достоверно указать нельзя (мы знаем лишь, что тело брошено по вертикали, а вверх или вниз – нам неизвестно). В подобных случаях используется следующий прием: условно принимаем v_0y = v₀, т.е. считаем, что начальная скорость направлена вертикально вверх. И если наше предположение окажется верным, то после подстановки в расчетную формулу для числовых значений физических величин v₀ окажется положительным, знак же «–» укажет на то, что начальная скорость на самом деле была направлена вниз.

По условию задачи, в момент времени t камень оказался на высоте Н/2:

5. Решив это уравнение относительно v₀, получаем

6. Для оценки правильности результата производим проверку по размерности физических величин, входящих в расчетную формулу:

После подстановки численных значений получаем v₀ = 35 м/с.

Итак, для модуля скорости получена положительная величина, следовательно, наше предположение оказалось верным, т.е. скорость v₀ направлена вертикально вверх.

Ответ. Камень брошен вертикально вверх с начальной скоростью

Далее учащимся можно предложить решить эту же задачу, выбрав другую систему координат. Например, ось OY направить вертикально вниз, а за начало отсчета принять начальное положение тела. Несмотря на то, что из уже приведенного решения известно истинное направление начальной скорости, можно порекомендовать условно считать проекцию положительной.

Далее, выбранная разработчиками технология обучения решению далеко не самая эффективная – она сводится к следующему: «Попробуй решить задачу сам, если не получается – прочитай соответствующий раздел теории, если снова не получается – посмотри готовое решение». Такая методика нисколько не выигрывает в сравнении с обычным задачником. Более того, в начале хорошего задачника, как правило, приводятся общие сведения по методике решения, а решения типовых задач даются с подробнейшими комментариями к каждому этапу. Чаще всего школьники испытывают затруднения лишь на одном или нескольких этапах решения задачи. Следовательно, решение необходимо разбивать на шаги и при необходимости давать учащимся подсказку по тому или иному шагу, а не по всей задаче в целом.

В существенной доработке нуждаются также компьютерные анимации и видеофрагменты (их всего сто – количество достаточно внушительное). В общей массе это мини-фильмы, представляющие тот или иной физический процесс или эксперимент в сопровождении краткого звукового комментария.

Рассмотрим, к примеру, слайд «Поступательное и вращательное движение». Предлагается анимация, изображающая движущуюся телегу. Голос сообщает, что точки на ободе телеги совершают одновременно поступательное и вращательное движение, а телега в целом движется поступательно.

Представьте себе учителя, который на школьном уроке производит подобную демонстрацию, сопровождая ее лишь подобными скудными комментариями. Вряд ли его можно будет назвать профессионалом. Учитель-профессионал непременно начертит на доске траекторию произвольно выбранной точки на кузове телеги, траекторию точки на ободе телеги и лишь на основании форм данных траекторий сделает вывод о характере движения точек, находящихся на ободе, и телеги в целом.

Разработчикам программы не составило бы большого труда существенно улучшить качество анимаций, дополнив их соответствующими синхронно вычерчивающимися графиками. Не лишним было бы и изображение соответствующих векторов. Так, в нашем примере можно было изобразить четыре вектора: скорости точки на кузове телеги (по ходу эксперимента он остается неизменным); поступательной составляющей скорости точки на ободе колеса телеги (по ходу эксперимента он остается неизменным и равным вектору скорости точки на кузове телеги); вращательной составляющей скорости точки на ободе колеса телеги (по ходу эксперимента он, оставаясь постоянным по модулю, все время меняет свое направление); мгновенной скорости точки на ободе колеса телеги (по ходу эксперимента он постоянно меняется как по абсолютной величине, так и по направлению, представляя собой сумму двух предыдущих векторов).

Это позволило бы учащимся не только увидеть поступательное и вращательное движения тел, но и более отчетливо осознать их различие, увидеть, какую траекторию описывает тело, скорость которого имеет одновременно и поступательную, и вращательную составляющие. такой слайд мог бы стать прекрасной иллюстрацией закона сложения скоростей, а также сложения векторов методом параллелограмма.

В существенной доработке нуждаются представленные авторами интерактивные модели. Большинство отображают лишь графики зависимости одних физических величин от других, сам же физический процесс при этом не демонстрируется.

Рассмотрим в качестве примера интерактивную модель «Кинематика свободного падения», которая позволяет изменять проекцию начальной скорости и координату материальной точки. Сразу же обращает на себя внимание тот факт, что сам описываемый графиками физический процесс не представлен. Хотя свободное падение тела достаточно простое движение, опыт показывает, что большинство учащихся не могут самостоятельно связать

графики с реальными физическими процессами, что приводит к чисто формальным, неглубоким, а нередко и ошибочным знаниям. Например, зависимость координаты от времени нередко принимают за траекторию.

Значительно привлекательнее выглядит в этом смысле интерактивная модель «Равномерное вращение по окружности». Здесь кроме графиков зависимости координат тела от времени демонстрируется и сам процесс вращения тела, что сразу же ставит все на свои места.

Общим недостатком представленных интерактивных моделей является отсутствие заданий и контрольных вопросов к ним. Подавляющее большинство учащихся неспособно самостоятельно изучать модели с извлечением максимальной пользы. Например, к модели «Равномерное вращение по окружности» можно было бы дать задание («Поочередно изменяя угловую скорость w, начальную фазу j и радиус окружности R, проследите, каким образом данные изменения влияют на характер движения») и контрольные вопросы:

Одним из важнейших преимуществ применения информационных технологий является возможность проведения быстрого контроля знаний. авторы «1С: Репетитор. Физика 1.5» предлагают 300 тестов (всего лишь из одного (?!) вопроса каждый) и задач, что крайне недостаточно. Отметим еще и то, что сама форма, в которой представлены тесты, применима в определенной мере лишь для самоконтроля, но не для урока. Во-первых, тест из одного вопроса не позволяет произвести объективную проверку знаний учащихся. Во-вторых, в программе не заложена возможность автоматического вывода оценки. В-третьих, после введения неправильного ответа предлагается вернуться к условию, посмотреть соответствующий раздел теории, правильный ответ и готовое решение, что уместно лишь при самостоятельной работе.

Резюмируя все вышеизложенное, можно утверждать, что электронное издание «1С: Репетитор. Физика 1.5» в его настоящем виде не может применяться на школьных уроках. Весьма спорна его эффективность и при самостоятельной работе старшеклассников и абитуриентов.

Публикация статьи произведена при поддержке сервиса DisTTutor, обеспечивающего дистанционные занятия с профессиональными репетиторами с помощью программного обеспечения, имитирующего занятие в кабинете. Ученик и учитель могут друг друга видеть и слышать, совместно писать и рисовать на доске. Такой способ обучения достаточно эффективен и экономичен как по затраченному времени, так и по вложенным средствам. Если вам необходим репетитор по физике онлайн или другим школьным предметам для повышения успеваемости или подготовки к ГИА и ЕГЭ, репетитор иностранного языка или логопед для ребенка, то можно подобрать специалиста исходя из отзывов и стоимости занятий на сайте сервиса.

3. Мультимедийный курс физики Л.Я.Боревского

CD-ROM состоит из двух частей – теоретической и практической (решения задач). Теоретическая часть полностью соответствует школьной программе, и абитуриент может подготовиться к успешной сдаче экзамена, не обращаясь к другим учебным пособиям. (Для большинства же электронных «репетиторов» характерно изобилие строго научных определений и формулировок, опирающихся на дифференциальное исчисление и теорию пределов, так что вместо того, чтобы повторить физику, восполнить пробелы в знаниях, учащимся приходится практически заново изучать предмет.) Весьма ценным элементом является присутствие словаря, позволяющего моментально получить ответ на практически любой вопрос, возникающий по ходу чтения.

К сожалению, качество иллюстративного материала низкое, рисунки в большинстве своем недостаточно наглядны, а некоторые и вовсе могут привить учащимся неверные навыки.

Рассмотрим, например, рисунок к § 4.19 «Вес тела». На фоне безупречного текста явным курьезом выглядит отсутствие вектора, собственно обозначающего вес тела. Далее, если судить по рисунку, то сила тяжести и сила реакции опоры приложены не к телу, а к самой опоре. И вообще, если речь идет о поступательном движении тел (а в школьном курсе физики в основном только этот тип движения и рассматривается), то в качестве точки приложения всех сил удобно выбирать центр тяжести тела. Это позволяет ученикам избегать путаницы и правильно составлять чертежи.

Автор не использует мультимедийные возможности – в теоретической части нет ни одной мультимедийной модели физического процесса. Еще одним существенным недостатком является отсутствие средств проверки знаний – промежуточного контроля, тестов-заданий и т.п.

Практическая часть курса заслуживает самых высоких похвал и раскрывает возможности использования компьютера в самом нелегком деле – обучении решению задач. Каждая задача может решаться в одном из четырех режимов («Автопилот», «Студент», «Доцент» и «Профессор») – от простейшего, в котором задача полностью решается компьютером, до самого сложного, в котором ученик решает задачу сам, а компьютер лишь контролирует. Такое разделение позволяет, во-первых, охватить всю ученическую аудиторию, а во-вторых, дает необходимый стимул. Решения разбиты на шаги. Если шаг выполнен правильно, учащемуся предлагается перейти к следующему. Имеется возможность прибегнуть к подсказке, где указывается, какие действия нужно предпринять на данной стадии и какой раздел теории повторить. Следует отметить выполненное со знанием психологии звуковое сопровождение, благодаря которому ученики решают задачи с удовольствием.

После решения задачи имеется возможность просмотреть ее интерактивную модель и наглядно увидеть связь между физическими величинами, описывающими рассматриваемый в задаче процесс. Интерактивную модель можно рассматривать как своего рода анализ ответа, хотя в классической форме анализ не приводится, т.е. учащимся, к сожалению, не прививаются соответствующие навыки (а в некоторых вузах отсутствие такого анализа снижает балл даже в случае правильного ответа). Оставлена лишь проверка по размерности, что позволяет избежать грубых ошибок. Для более тонкой проверки следует рассматривать какой-либо крайний случай. В качестве примера рассмотрим задачу 1.19.

Ответ, полученный автором, выглядит следующим образом:

Нетрудно видеть, что в случае, когда корабль неподвижен (v1= 0), торпеду нужно просто направить на корабль (b = 0). Остается лишь проверить, укладывается ли данный частный случай в формулу, выражающую ответ в общем виде.

Справедливость последнего равенства указывает на правильность полученного ответа.

Что касается использования этого издания на школьном уроке, можно отметить следующее:

Подводя итог, отметим, что разработка качественного ЭИОН возможна только при наличии творческого союза профессионалов, обладающих достоверной и качественной информацией в конкретной предметной области, и программистов, способных предложить идеологию реализации этого продукта.

Информационные технологии

В.Л.Акуленко,
Ново-Марковичская СШ, п. Стрешин, Беларусь

CD по физике глазами учителя

Информационные технологии

В.Л.Акуленко, Ново-Марковичская СШ, п. Стрешин, Беларусь

CD по физике глазами учителя

В.Л.Акуленко,
Ново-Марковичская СШ, п. Стрешин, Беларусь