М.А.БАЛАКИН,
лицей № 38, г. Нижний Новгород

Современные технологии в физическом образовании

Компьютеры пришли в школу около двадцати лет назад и тем не менее до сих пор воспринимаются школьным сообществом не совсем правильно (а часто и совсем не правильно). Во-первых, большая часть учителей так и не приняла этот физический прибор на вооружение. Во-вторых, как правило, понимают компьютер очень узкофункционально: кто-то видит в нём печатную машинку, кто-то демонстрационный прибор, а кто-то игрушку.

Но дело даже не в этом. Компьютер для многих не просто олицетворяет современные технологии, он стал синонимом этих технологий. А это существенно не верно! Технологий, пришедших в наш мир в последние  10–15 лет, очень много. Все они цифровые и поэтому компьютер как универсальный обработчик цифровой информации занимает центральное место. Можно сравнить его с могучим мозгом. Однако мозг беспомощен без рук, ног, глаз, т.е. без периферийных устройств.

Как раз периферии-то сейчас появилось огромное количество, причём, что очень важно, она стала широко доступной. Вот уже четыре года 100% учащихся, приходящих в наш лицей, имеют дома компьютер с выходом в интернет, сотовый телефон, цифровой фотоаппарат и (или) видеокамеру. Школы приобретают мультимедийные проекторы, электронные доски, проводят локальную сеть и подключаются к сети интернет. Именно поэтому деятельность кафедры естественных дисциплин лицея направлена на комплексное внедрение всех современных технологий в образовательный процесс. Сейчас мы уже ставим вопрос не о том, как ИСПОЛЬЗОВАТЬ компьютер на уроке физики [1], а как ОБЪЕДИНИТЬ все приборы и средства коммуникации в школе и дома в одну сеть с целью обеспечения наиболее эффективного образования учащихся.

Школьное образование, особенно физическое, не может быть «вещью в себе». Приёмы и методики должны гибко реагировать как на новые достижения науки и техники, приборы, так и на новые возможности, которые предоставляют эти достижения и приборы. Такая работа ведётся на нашей кафедре уже три года, и мы можем поделиться некоторыми результатами нашей деятельности.

Цель: повысить качество образования и интерес учащихся к образовательному процессу.

Средства: компьютер, мультимедийные устройства (проектор, телевизор), набор лабораторного оборудования, подключаемого к компьютеру, локальная лицейская сеть, сеть интернет, бытовая техника (домашние компьютеры, сотовые телефоны, цифровые фото- и видеокамеры).

Глобальная методическая идея: образование через самостоятельную деятельность учащихся. Для физики эта идея наиболее естественно реализуется при организации лабораторных исследований, подготовке обобщающих семинаров, НОУ и подготовке технических проектов. Наша работа заключалась в планомерном и глобальном внедрении современной техники во все эти виды деятельности. Кроме того, мы попытались осуществить заветную мечту педагога: на уроке не рассказывать и не диктовать материал, а лишь пояснять его, раскрывать его суть, обучать применению полученных знаний. Сам же материал, по идее, должен заранее быть предоставлен учащимся в доступной и удобной форме.

Надо сказать, что наше желание сделать лабораторные работы как можно более самостоятельными «удачно совпало» с явным недостатком лабораторного оборудования в лицее. Нам удалось перенести часть лабораторных работ на дом и существенно расширить их список за счёт виртуальных работ, выполняемых на компьютере. Для этого мы применяем программные пакеты «Живая физика», «Виртуальная лаборатория» и разработанные нашими же учащимися программы.

Освоение этих программ происходит постепенно в течение 9-го класса. В первой четверти в ходе уроков демонстрируются возможности программ, строятся несложные модели и полученные при работе этих моделей результаты сразу проверяются теоретически (при решении соответствующей задачи) и практически (небольшим измерением). Цель работы – научить учащихся применять данные программные пакеты и, самое главное, на примерах показать, что численное моделирование способно давать правильную картину реальных физических процессов. Это знание пригодится впоследствии, когда мы перейдём к моделированию ситуаций, которые исследовать «в живую» в условиях школьной лаборатории невозможно (движение планет, движение с изменяемым трением, частично неупругие соударения вращающихся тел и т.п.).

В течение первой четверти на дом задаются необязательные творческие задания по моделированию задач в данных программах. Мы подчёркиваем необязательность выполнения этих заданий, т.к. надо снять страх перед компьютером, перед неумением пользоваться прикладными программами и офисным пакетом для оформления результатов работы. Параллельно задаются и живые лабораторные работы. Однако при их производстве предлагается оформить отчёт в Exсel или в Word (с построением таблиц и графиков) снабдить отчёты фото- и видеоматериалами. Очень интересно, что применение цифровых фото- и видеокамер позволяет не только фиксировать события, но и производить измерения. Например, очень точно измерять время стоп-кадром, строить трассировку движений в программах обработки графики.

Начиная со второй четверти такие задания становятся общими, но оценки выставляются только положительные. Полная обязательность выполнения и оценка начинаются с третьей четверти. При этом описания, которые выдаются учащимся, включают в себя лишь минимум, который необходимо выполнить в рамках данной работы. Любое расширение программы приветствуется и дополнительно оценивается. Список работ с кратким описанием каждой даётся в приложении. Ценность данной работы нам видится в планомерности и постепенности введения в работу всего объёма доступной цифровой техники, а также в постоянном стимулировании самостоятельных исследований, поисков и экспериментов.

Надо отметить, что вынесение существенной части работы на дом проводится в рамках общей программы развития дистанционного факультатива по физике (список предлагаемых работ см. в конце статьи). Проблемы дистанционного образования в школе и предлагаемые методы их решения были изложены ранее [2–6]. Здесь отметим, что, по нашему мнению, полного отрыва обучаемого от преподавателя в средней школе допускать нельзя, – существует ряд проблем, решение которых до сих пор не найдено. Но организовать частично дистанционное общение, когда основная часть работы выполняется самостоятельно дома, а задание, консультации и проверка проводятся учителем в классе, вполне возможно и в ряде случаев полезно.

Наш факультатив базируется на учебном сайте по физике и астрономии: www.astronom-ntl.narod.ru. На нём содержатся задания к лабораторным работам, экзаменационные материалы и лекции по физике и астрономии. Эти лекции, с одной стороны, призваны обеспечить учащихся учебным материалом, выполненным в наиболее удобном для них виде, а с другой, являются замечательным примером сотрудничества преподавателей и учащихся. Дело в том, что создаются эти лекции учащимися под руководством учителей физики и астрономии. Наша цель – создать полноценный образовательный сайт, позволяющий разгрузить уроки от рутинной работы, облегчающий документооборот между учителем и учеником и в отдельных случаях позволяющий учащемуся, долгое время отсутствующему в лицее, не отстать от программы. По разделу астрономии эту цель практически удалось осуществить. По физике объём работ намного больше, и работа пока далека от завершения. Однако сайт действует. Подтверждением ценности данного ресурса является его ежегодное безусловное лидерство в рейтинге областных образовательных сайтов.

Сайт – проект долговременный, многолетний. А в прошедшем учебном году идея полнообъёмного образовательного ресурса получила новое интересное направление. Под руководством учителей физики была создана первая часть собственной мультимедийной энциклопедии по физике. Мы понимаем, что подобные энциклопедии уже существуют в нескольких вариантах, и сами активно используем программный комплекс «Открытая физика 2.5». Но, во-первых, всем известна проблема адаптации готовых изделий под конкретную программу и конкретного преподавателя, а во-вторых, основной ценностью данной работы является то, что сделана она была полностью руками учащихся. Учителя лишь задали порядок и объяснили желаемую структуру энциклопедии. Можно сказать, что окончание работы над энциклопедией завершит создание на кафедре полноценной библиотеки демонстрационных ресурсов. Чтобы библиотека начала функционировать с наибольшей эффективностью, мы работаем над надёжным и качественным объединением всех кабинетов физики в локальную сеть. В идеале в этой сети должны работать все компьютеры школы, однако ряд проблем, связанных с отсутствием должности школьного системного администратора, пока не разрешён. Тем не менее проводная и радиосеть в лицее уже действует, позволяя уверенно выходить в интернет во время урока для демонстрации сетевых ресурсов, что особенно значимо на уроках астрономии. Демонстрации изображений со спутников в реальном времени впечатляют и повышают эффективность урока. Галереи изображений, on-line-калькуляторы фаз планет, JAVA-программы по физике делают урок ярким, живым, современным! При работе над ежегодным техническим проектом, разрабатываемым в рамках областной технической олимпиады, оперативный доступ к новостным ресурсам, связь по электронной почте с известными учёными и изобретателями дают неоценимые возможности.

В 2006/2007 уч.г. мы надеемся заполнить очень важную нишу в планомерной работе по внедрению современных технологий в образовательный процесс. Полагаем, что этому поможет победа лицея в национальном проекте «Образование» и получение гранта. Мы приобрели комплекс приборов, позволяющих превратить компьютер в измерительный инструмент при проведении физических экспериментов. Для компьютера эта роль вообще-то самая естественная, ибо он, по существу, сложный электроизмерительный прибор. Но в силу ряда обстоятельств в этом своём качестве компьютер народу не известен. Мы собираемся ликвидировать этот пробел и считаем эту задачу приоритетной для лицея как учреждения, в партнёрстве с вузами готовящего инженерные и научные кадры страны. После введения комплекса оборудования в строй, мы получим законченную цепочку высоких технологий на службе системы образования: от получения первичных сведений о природе, через последующую их обработку, до представления результатов на уроке, семинаре и в интернет-журнале. Учащихся увлекает наблюдение за опытом, когда обработка результатов не откладывается, а происходит в реальном времени. Зрелищность экспериментов захватывает и помогает концентрировать внимание. Немаловажны лёгкость и быстрота подготовки эксперимента.

Дальнейшее развитие идеи мы видим в оснащении каждого рабочего места компьютером и комплексом измерительной цифровой аппаратуры. И ошибается тот, кто думает, что таких возможностей российская школа не будет иметь никогда. У нас есть отличный выход – личные цифровые устройства, имеющиеся на руках у школьников. Уже сейчас практически каждый старшеклассник имеет сотовый телефон. Интересующиеся этим вопросом знают, что сотовая телефония движется в направлении превращения каждого телефона в полноценный компьютер (смартфон). Мощность и возможности этих микрокомпьютеров уже сейчас выше, чем у стационарных компьютеров начала 90-х. Так что нарисованное нами будущее гораздо ближе, чем многие представляют.

Приглашаем и вас на наш готовый для работы на уроках физики и астрономии сайт: www.astronom-ntl.narod.

Домашние лабораторные исследования, 9-й класс

1. Равномерное движение тела. В программе «Живая физика» создайте горизонтальную плоскость; поставьте на неё тело; уберите трение; придайте телу скорость и пронаблюдайте за его движением (выведите на экран координаты и скорость тела); сделайте плоскость наклонной и повторите наблюдения.

2. Равноускоренное движение тела (средняя и мгновенная скорости). В программе «Живая физика» создайте модель (шарик на наклонной плоскости); пронаблюдав его движение, установите среднюю скорость, её зависимость от длины и наклона плоскости, её соотношение с мгновенной скоростью в конце плоскости; рассмотрите случаи наличия и отсутствия трения в системе. Найдите и объясните различия.

3. Равноускоренное движение тела (построение графиков). В программе «Живая физика» создайте модель (шарик на наклонной плоскости); пронаблюдав его движение, установите зависимость ускорения шарика от длины, угла и синуса угла наклона плоскости; по результатам работы постройте соответствующие графики.

4. Движение в среде при наличии вязкого трения. В программе «Живая физика» создайте модель свободно падающего шарика; введите сопротивление среды и, меняя массу шарика, пронаблюдайте за изменением величины установившейся скорости; затем, оставив массу постоянной, измените коэффициент сопротивления среды несколько раз. Опять пронаблюдайте за изменением величины установившейся скорости; постройте соответствующие графики.

5. Движение тела, брошенного под углом к горизонту в среде при наличии вязкого трения. В программе «Живая физика» создайте модель тела, брошенного под углом к горизонту; меняя угол вылета, постройте зависимость дальности полёта от угла бросания; введите сопротивление среды. Повторите опыт; опять постройте зависимость дальности полёта от угла бросания. (Указание: если в случае отсутствия сопротивления среды мы знаем ответ – наибольшая дальность полёта достигается при угле вылета 45°, – то при наличии сопротивления ответ нам заранее не известен. Следовательно, желательно сначала поменять несколько раз угол грубо (± 10°), а потом, найдя интервал, в котором лежит ответ, пройти его, изменяя угол плавно, по 1°. Ответ будет гораздо точнее.)

6. Модель движения связанных тел. В программе «Живая физика» создайте модель (два шарика на нити); гравитацию отключите, придайте шарикам одинаковую массу и одинаковые, но противоположно направленные скорости; убедитесь, что центр вращения лежит посередине нити; меняя массы шариков (желательно в точной пропорции) и скорости (в обратной пропорции), убедитесь, что отношение радиусов окружностей, по которым движутся шарики, обратно отношению масс.

7. Сила тяготения. В программе «Живая физика» создайте модель планетной системы (рекомендуемые параметры М₁ = 5е12, m₂ = 5е9); рассчитав круговую скорость для разных расстояний, убедитесь, что при данной скорости тело движется по окружности указанного радиуса.

8. Лабораторная работа «Определение коэффициента трения между поверхностями»

Приборы и материалы: безмен, сумка, книги.

Порядок выполнения:

8.1. Положите книгу в сумку взвесьте её безменом.

8.2. Положите сумку на рабочую поверхность, зацепите её безменом и равномерно протащите несколько сантиметров, фиксируя показание безмена.

8.3. Исследуйте зависимость силы трения от веса. (Указание: показания безмена не забудьте умножить на 9,8 м/с²; лучше не менять пару трущихся тел; оптимально – книги в сумке, тащить по ковру).

8.4. Постройте график, измерьте погрешность.

8.5. В программе «Живая физика» создайте модель данного опыта. (Указание: поставьте тело на горизонтальную поверхность; приложив к телу силу, заставьте его двигаться; меняя массу тела, вы меняете и силу, прикладываемую к нему, до тех пор, пока ускорение тела не станет чуть-чуть больше нуля. Почему? Эта сила и будет приблизительно равна силе трения.)

8.6. Постройте график (можно две кривые на одном графике).

8.7. Сделайте выводы.

8.8. Дополнительное задание: исследуйте зависимость силы трения от свойств поверхности. Постройте график.

9. Лабораторная работа «Определение коэффициента упругости резинки»

Приборы и материалы: бельевая резинка, безмен, линейка.

Порядок выполнения:

9.1. Растяните резинку безменом, определите показание безмена и величину деформации резинки.

9.2. Определите зависимость коэффициента упругости от длины и толщины резинки. (Длину менять просто, а вот толщину… Можно, конечно, сложить резинку вдвое, втрое и т.д., но это некорректно. Почему?)

9.3. Постройте соответствующие зависимости.

10. Модель машины Атвуда. В программе «Живая физика» создайте модель машины Атвуда (два тела связаны нитью, перекинутой через блок). Задайте телам немного разную массу. Определите ускорение грузов, решив соответствующую задачу, и проверьте ответ на опыте. (Указание: ускорение свободного падения при теоретическом решении возьмите такое же, как и в программе.)

11. Модели систем тел, связанных нитями (указания на уроке). Проверьте результаты численного моделирования теоретическими расчётами.

12. Закон сохранения импульса. В программе «Живая физика» создайте модель шарика, сталкивающегося с массивной плоскостью; исследуйте зависимость угла отскока от коэффициента трения шарика о плоскость и угловой скорости вращения шарика; исследуйте зависимость скорости отскока шарика от скорости и направления движения плоскости при лобовом ударе; сравните результаты последнего исследования с теоретическим предсказанием; постройте соответствующие графики; сделайте выводы.

13. Определение КПД наклонной плоскости

Приборы и материалы: доска (удобно взять гладильную), тело (сумка с книгами), безмен.

Порядок выполнения:

13.1. Поставьте наклонно доску, измерьте высоту верхнего края доски – это высота, на которую необходимо поднять тело.

13.2. Взвесьте тело. Зная высоту доски и массу тела, рассчитайте полезную работу по подъёму тела.

13.3. Протащите тело по доске, измерьте силу, необходимую для этого. Измерьте длину доски, получите полную работу по подъёму тела.

13.4. Рассчитайте КПД.

13.5. Рассчитайте погрешность измерений.

13.6. Решите соответствующую задачу теоретически, для чего измерьте коэффициент трения тела о доску любым удобным способом.

13.7. Сравните результаты теоретического и практического исследований, сделайте выводы.

Литература

1. Балакин М.А. Компьютер на уроках физики и астрономии. – Педагогическое обозрение, 2003, № 3.

2. Балакин М.А. Психолого-педагогические проблемы дистанционного образования. – Педагогическое обозрение, 2005, № 1.

3. Балакин М.А. Дистанционный факультатив как метод решения психолого-педагогических проблем дистанционного образования: Материалы Всероссийской научно-методической конференции. – Н.Новгород, 2004.

4. Балакин М.А., Горшенков В.Н. On-line-факультатив по физике в Нижегородском техническом лицее: Труды седьмой международной конференции «Физика в системе современного образования». – СПб, 2003, т. 3.

5. Балакин М.А., Горшенков В.Н. Учебный сайт по физике: Материалы Всероссийской научно-методической конференции. – Н.Новгород: НГПУ, 2002.

6. Балакин М.А. On-line-факультатив: Материалы Всероссийской научно-методической конференции. – Н.Новгород, 2001.

Михаил Александрович Балакин окончил в 1992 г. Нижегородский госуниверситет по специальности «Физик», затем, в 2005 г., аспирантуру при НГПУ по специальности «Методика преподавания физики», почётный работник среднего образования, учитель физики и астрономии высшей квалификационной категории, педагогический стаж 15 лет. Награждался грамотами Минобразования. Увлечения: работа, спортивный туризм, компьютеры.