Образовательные ресурсы

Дистанционный курс "Компьютерная поддержка урока физики". Лекция 7

Продолжение. См. № 17–22/08

№  газеты	Учебный план курса
17	Лекция 1. Компьютеризация обучения: компьютерный урок и компьютерная поддержка урока
18	Лекция 2. Классификация программных педагогических средств (ППС) по школьной физике
19	Лекция 3. Обзор ППС I уровня усвоения нового материала
20	Лекция 4. Обзор ППС II уровня усвоения нового материала. Контрольная работа № 1 (срок выполнения – до 25 ноября 2008 г.)
21	Лекция 5. Компьютерные слайды как виртуальная наглядность
22	Лекция 6. Особенности восприятия мультимедийной учебной информации.  Контрольная работа № 2 (срок выполнения – до 25 декабря 2008 г.)
23	Лекция 7. Компьютерное моделирование в решении физических задач и физическом эксперименте
24	Лекция 8.  Ресурсы интернета и компьютерные телекоммуникации в проектной деятельности
Итоговая работа. Создание учебного проекта по одной из тем курса физики в программе Publisher и методических разработок 1–2 уроков физики с компьютерной поддержкой. Краткий отчёт о проведении уроков с кратким самоанализом эффективности и результатов и справка из учебного заведения (акт о внедрении) должны быть отправлены в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2009 г.

Лекция 7. Компьютерное моделирование в решении физических задач и физическом эксперименте

Физика – экспериментальная наука, поэтому в изучении предмета значительное место занимают решение задач и физический эксперимент всех видов.  Подтвердим это известным высказыванием Э.Ферми: «Человек знает физику, если он умеет решать задачи». Компьютерные технологии и здесь оказывают революционизирующее воздействие. Остановимся   на этом более детально.

«Физическая задача», по  А.В.Хуторскому, определяется большинством исследователей как «…учебная ситуация, требующая от учащегося мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, и направлена на овладение знаниями по физике и развитие мышления» [1, c. 233]. Учителями­практиками выявлены типичные трудности в решении школьниками физических задач:

• незнание общей схемы действий при решении;

• неумение найти физическую суть явления  и формализовать её в рамках выбранной модели;

• неумение наглядно представить физические величины и процессы задачной ситуации.

В целом, чтобы решить задачу, учащемуся надо понимать физические законы и сущность описанных в ней физических явлений/процессов, уметь привести данную задачу к типовому виду и далее  использовать общий для этого типа задач алгоритм познавательных действий. Конечно, устойчивые навыки решения физических задач формируются в процессе длительного и системного тренинга. Возможности поэтапного интерактивного моделирования ученических действий и названные в предыдущих лекциях преимущества виртуальной наглядности, пожалуй,  в наибольшей степени отвечают этим требованиям.

Задачи обычно разделяют на расчётные, экспериментальные, графические. Компьютерная модель при этом выступает как способ обобщения задачной ситуации путём логически упорядоченного представления учебной информации в специфической наглядной форме. Имитационная учебная модель может отображать физический процесс/явление, техническое устройство/прибор, цикл деятельности системы, физическую ситуацию. Такая модель является системообразующим компонентом всей  компьютерной программы, обучающей решению физических задач.  Каким общим дидактическим требованиям должна отвечать компьютерная задачная модель?

Прежде всего она должна быть интерактивной, т.е. обеспечивать диалог модели с учеником для  детального рассмотрения предлагаемого физического процесса (объекта), его динамики, параметров начального и конечного состояний, их выявления путём манипуляций с переменными и инвариантными характеристиками. Далее – учебная модель должна обязательно иметь гипер­ссылк и на теорию вопроса, словарь терминов, таблицу с формулами и физическими постоянными. Возможен вызов встроенного калькулятора для расчётов и составления формул. Предварительная проверка уровня усвоения теории проводится, как правило, серией тестовых заданий, допускающих к работе с моделью.

Конечно, уровень трудности и доступности задачной модели должен соответствовать учебной программе и возрастным возможностям школьника, допускать многократное проигрывание модели, иметь удобный и понятный ребёнку интерфейс. Напомним, в случае отображения причинно­следственных связей компьютерная модель предлагает описание поведения объекта в терминах событий. При этом различают события следования и события изменения состояний.  События следования описывают поведение системы как смену фаз деятельности (примеры: работа
4­тактного ДВС, цикл Карно, колебательный контур, математический маятник, перемещение тела).  Специфика физических моделей состоит в том, что события следования часто влекут за собой события изменения состояния. Потому в задачной модели  программируется представленное и в событиях следования (обычно – визуальное изображение), и в событиях изменения состояния (как правило, графики). При этом различают  физические (натурные) модели и математические. Натурные модели представляют физическую реальность средствами видео­, мультипликации или анимации с целью наглядного отображения, подчёркивания сущности изучаемого (виртуальная наглядность). Математические модели описывают реальные объекты на языке математики. Это позволяет делать качественные и количественные оценки поведения физической системы, сравнивать результаты, задавая разные начальные условия. Задачные модели, как правило, относятся к математическим моделям  и потому рассчитаны на ученическое исследование.

По учебному содержанию задачные модели можно условно разделить на следующие типы:

• статическая модель – рисунок/схема задачной ситуации (возможна фрагментарно анимация);

• мультипликационная модель – имитация физического процесса/явления, действия механизма;

• интерактивная модель­график;

• проблемная физическая ситуация, в том числе в форме натурного видеосюжета;

• конструкторская модель.

Статическая модель­рисунок формирует навык визуального отображения условия физической задачи: правильную расстановку сил, условные обозначения физических величин, систему отсчёта и необходимые физические константы. Если модель интерактивная, то  учащийся может сам произвести расстановку действующих сил и указать систему отсчёта. Примером может служить задача 13.19 «Торможение заряда в электрическом поле шара» из ППС «Курс физики. XXI век» Л.Я.Боревского (тема № 13 «Электростатика»), слайд 1.                                                                                       

Задача 13.19. Точечный заряд 0,1 млКл массой 1г прошёл со скоростью 1 м/с  с бесконечно большого расстояния до закреплённого шара зарядом 
0,3 млКл. До какого минимального расстояния от центра шара сможет долететь движущийся заряд?
(Принять )
Ответ 0, 54 м.                                             

Решение задачи разбито на 18 шагов,  фиксируются время работы, количество верных/неверных шагов, набранное количество баллов. Модель демонстрирует движение меньшего заряда. Одновременно строятся графики кулоновской силы взаимодействия Fк= f(r), кинетической энергии движущегося заряда T = f(r), потенциальной энергии взаимодействия зарядов
П = = f(r) и полной энергии Е = Т + П.

С помощью кнопок панели управления моделью можно переключать графики, изменять параметры эксперимента, перематывать изображение вперёд/назад. Лупа времени позволяет замедлять процесс до 10 раз. На любом этапе можно включить стоп­кадр. Выдаются теория задачи и теория ошибки, включающие в качестве примеров базовые задачи данной темы (принцип суперпозиции, расчёт взаимодействия зарядов). Для каждой подзадачи имеется своя модель – динамический рисунок.

На уроке работу учащихся с моделью задачи можно организовать индивидуально, если достаточно компьютеров, лучше – по группам, с разными заданиями и последующим коллективным обсуждением результатов. Задания типа: «Как подсчитать потенциальную энергию взаимодействия для любого r?»; «Изменится ли Rmin при увеличении/уменьшении заряда и скорости одновременно в 2 раза?»; «Для выбранного r  рассчитайте теоретически Fk , Т, П и сравните с графическими их значениями», «Зависит ли результат от знака зарядов?» и др. Для слабого класса возможна демонстрация решения и модели задачи на большом экране в режиме «Автопилот» (см. лекцию 3). Общий алгоритм решения  (запись краткого условия задачи – основная часть решения – выявление скрытых условий задачи – вывод рабочих формул – проверка размерности – получение числового значения) лучше всего «проиграть» в ходе эвристической беседы. При необходимости используется «Подсказка». Затем можно предложить самостоятельно повторить решение каждому, но предварительно на модели провести ещё раз физический анализ задачной ситуации и графиков, используя названные выше и составленные самими учащимися вопросы. Данное ППС оптимально для самостоятельной работы на домашнем компьютере (нет лимита времени).

  

В ППС компании «Физикон» «Физика. 7 –11 классы. Практикум» (см. лекцию 4) 150 интерактивных учебных моделей предназначены для ученического исследования путём изменения их параметров или конфигурации, слайд 2.

Результаты эксперимента представлены в Приложении в виде Java­таблицы (для просмотра) и html­таблицы (в случае сохранения на диске). Поскольку это математические модели, выдающие конечный числовой результат, а акцент при анализе должен быть сделан на сравнение численных значений величин, выявление влияния знака зарядов, конфигурации треугольника. Для изменения положения объектов в моделях применён  приём (Drag­and­Drop).

Мультипликационные модели физических процессов/явлений часто используют при решении качественных и экспериментальных задач. На них школьник учится «задавать вопросы природе». Для этих целей богатый набор моделей содержат ППС «Физика в картинках» (компания «Физикон»), раздел Лаборатории из ППС «Библиотека наглядных аудивизуальных пособий Кирилла и Мефодия» (см. лекцию 3). У читателя может возникнуть вопрос: «Можно ли отнести данные модели к задачным? Разве это не компьютерные демонстрации?» По нашему мнению, любая ситуация, приводящая к физическому вопросу и тем более предсказательным расчётам, может считаться задачной независимо от формы предъявления. В качестве примера обратимся к фрагментам «Фотоэффект», «Цикл Карно» и «Распределение Максвелла». Для целостного восприятия физической модели удобно  при знакомстве с нею использовать обобщённые планы ответов А.В.Усовой (о явлении, законе, устройстве, приборе). Модель «Фотоэффект» (слайд 3) помогает учащимся при поддержке учителя найти ответы на вопросы: «В чём состоит фотоэффект?», «Какого знака должен быть освещаемый электрод?»,  «Какова роль задерживающего потенциала?»,  «Что такое «красная граница» фотоэффекта?», «От чего зависит величина фототока насыщения?»,  «На что влияют величина и длина волны светового потока?»,  «Как определить работу выхода при заданной длине волны света?» и др.

Модель позволяет закрепить осмысленное применение уравнения Эйнштейна в расчётных задачах. Серию расчётных задач (с вариацией всех параметров) составляет учитель. Учащиеся решают группами, а затем сверяют свои результаты в ходе виртуального эксперимента (для большего эффекта следует подобрать числовые данные из доступных моделей). Выбор длины волны осуществляется скроллером шкалы спектра (передвигается мышью). Инструмент Лупа позволяет увеличивать изображение до полного экрана, что необходимо при коллективном обсуждении.

Задачные ситуации, связанные с построением и анализом графиков, традиционно являются трудными для учащихся. Им сложно уловить функциональную связь величин: не хватает динамического момента в осмыслении. Это удачно восполняют компьютерные модели­графики. Они часто сопровождаются интерактивными мультипликативными моделями процесса, а ещё лучше – интерактивной пошаговой анимацией.

  

Например, в модели «Цикл Карно» главное – показать, от чего зависит КПД тепловой машины, поэтому предусмотрена возможность изменять температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2, слайд 4.

Мультипликационная модель даёт представление о микропроцессе в газе: цикл воспроизведён на интерактивном графике (на слайде вверху – справа), представлены графики Q(t), А(t) и DU(t) – внизу. Рядом – расчётные параметры.

Задания к анализу модели: записать I начало ТД для всех четырёх этапов; указать, в каких процессах количество теплоты получает цилиндр, а в каких – отдаёт, сравнить DQ по величине; обсудить сходство и различие адиабатного и изотермического процессов; ответить, почему КПД не может достичь 100% и др. Далее решаются расчётные задачи (с доступными для модели параметрами), а результаты проверяются в компьютерном эксперименте.

Просто незаменимы модели­графики в теме «Механика» («Равноускоренное движение», «Движение тела под углом к горизонту», «Человек в лифте» и др.). Пошаговая анимация позволяет ученику проследить за движением и его параметрами поэтапно, увидеть по­строение графиков по частям, воспроизводить их многократно до полного осмысления, слайд 5.

Мультимедийная интерактивная модель «Распределение Максвелла» помогает представить тепловое движение молекул. По графику можно оценить  количество частиц с выбранной скоростью v, квадратичную и наивероятнейшую скорости при разных Т. Цветом (зелёным) выделены частицы с заданной в модели скоростью, для которой проводится расчёт параметров, слайд 6.

 Математическая модель механизма/устройства по­зво­ляет оценить не только физические параметры на выходе, но, варьируя, подобрать наилучшие технические характеристики компонентов, объяснить целесообразность компоновки, принцип действия, реальные пределы возможных результатов.

К примеру, в модели «Свободные колебания в RLC­ контуре» предлагается уточнить, почему такой контур не излучает? какие численно ёмкость и индуктивность нужно задать для получения радио­, ВЧ­, СВЧ­частот? Опять же расчётные задачи хорошо сопроводить проверкой на компьютерной модели. Совпадение результатов создаёт чувство успеха у школьника, слайд 7.

«Видеозадачник по физике» Фишмана А.И. и др. как уже отмечалось, соотнесён с оглавлением задачника Рымкевича А.П. (раздел, тема) и поурочным планированием Касьянова В.А. (10–11­й кл.). Потому они органично включаются в изучение соответствующего раздела. Проблемные физические ситуации подобраны в форме видеосюжетов, в конце демонстрации на экране появляется проблемный вопрос (см. лекцию 3).  Например, задача «Выстрел в воду». Вопрос: «Почему пустая колба не раскалывается, а заполненная водой разрывается на мелкие куски?» Такие сюжеты очень полезно предлагать для теоретического обоснования в качестве домашнего творческого задания, для обучения анализу физической ситуации в курсах повышенного уровня, во внеклассной работе.  Прекрасная база для формирования познавательных компетенций! Возможна и самостоятельная видеосъёмка подобных задачных сюжетов с использованием краеведческого материала, межпредметного содержания, ученических физических мини­спектаклей, слайд 8.

Развитию творческой компоненты мышления, креативности ума способствуют задачные модели на конструирование. Конечно, первыми назовём сетевые ППС (в интернете) «Живую физику» и «Активную физику». Но есть и другие, более доступные начинающему, конструкторские задачи. Так, «Физика в картинках» на компакт­диске содержит «Конструктор конденсаторов» и «Конструктор резисторов»». Они удобны для индивидуальной работы в классе: каждый учащийся составляет свою схему соединения резисторов (конденсаторов), задаёт значения параметров и рассчитывает конечные значения требуемых величин.  Полезно коллективно обсудить теоретические результаты (соотношения I, R, U, С в последовательных и параллельных участках) и тактику решения. Лучшие задачи можно использовать в дальнейшем. По инициативе ребят ведётся рукописный (печатный) ученический задачник.

В ППС «Физика 7–11. Практикум» (М.: Дрофа, 2005) есть «Конструктор гальванических элементов», позволяющий подобрать материал электродов для получения нужной величины ЭДС, слайд 9.

 Но ещё более интересны Виртуальные физические лаборатории компании «Физикон» (М.: Дрофа, 2006)  Рассмотрим модель «Уголковый отражатель», слайд 10.

Имеются Рабочий стол, Объекты, Панель инструментов. Требуется доказать, что отражённый и падающий лучи всегда обратимы. Для исследования  используются (по выбору) точечный источник света (можно его перемещать), прожектор, призмы, ширма, плоские зеркала (поворот на заданный угол). Для измерений активируют инструменты: рулетку, транспортир, фотометр. На базе модели учитель составляет/подбирает комплекс задач разного уровня сложности с расширением инструментария и количества вовлечённых объектов. Поощряется конструкторская инициатива учащихся. Аналогичен по содержанию и учебным целям (но с бо1льшим разнообразием задач) конструктор «Оптическая скамья» из «Активной физики».

Конструкторские задачи можно предлагать на базе виртуальных конструкторов (типа «Знаток», ЛЕГО).

Физические натуральные демонстрации, как показала практика школы, не могут полностью подменяться компьютерными моделями. Виртуальный эксперимент ещё долго будет играть вспомогательную роль  – поддержки, дополнения «живого» опыта [2,с. 42]. Признавая это, определим учебные цели  использования компьютерных демонстраций на уроке:

• воссоздание классических (исторических) опытов, невоспроизводимых в школьных условиях;

• мультипликационное отображение процессов и объектов, микро­, мега­ и макромира, не доступных напрямую органам восприятия человека;

• воспроизведение процессов и событий в динамике, в собственном компьютерном пространстве и времени;

• целостная система опытов (от простых – к сложным), созданная к отдельным разделам курса физики;

• экспериментальные задания и проблемные физические ситуации;

• виртуальная лабораторная установка для индивидуальных ученических исследований;

• «живая» демонстрационная лабораторная установка с подключением электронных датчиков измерений и компьютера для обработки и представления результатов. 

Покажем на примерах способы управления познавательной деятельностью учащихся. Общая педагогическая цель – включение «интеллектуального зрения», т.е. умений школьника «смотреть и видеть». В сравнении с натурной физической демонстрацией виртуальный её вариант позволяет лучше  увидеть связь результатов опыта с параметрами и условиями проведения.  Для этих целей хороши компьютерные лабораторные работы. Пока каждый школьник не будет иметь домашнего компьютера, такая работа на уроках  будет эпизодической, а основной практический вариант использования виртуальной лаборатории на уроке – фронтальная демонстрация на большом экране.

В качестве примера рассмотрим несколько работ  из серии Виртуальная физическая лаборатория (М.: Дрофа, 2006).

– «Виртуальная лаборатория. 8 класс.  Регулирование силы тока в цепи с помощью реостата», слайд 11:

Разумно включить её после реальной демонстрации действия реостата в целях теоретического анализа и предложить  вопросы: Почему и как реостат влияет на силу тока в цепи? Как изменятся показания амперметра при движении ползунка влево/вправо? При каком положении ползунка сила тока в цепи будет минимальной? Почему не рекомендуется уменьшать сопротивление реостата до нуля? Когда это происходит, что может  случится? После этого предложить зарисовать схему в тетрадях и записать показания приборов (а после изучения закона Ома построить график
U = f(I), рассчитать R). Большое экранное изображение лучше концентрирует внимание детей, а реальный опыт подтверждает достоверность модели.  Очень полезно  учащимся составить дома краткий ответ по обобщённому плану А.В.Усовой о приборе и занести его в личный физический словарь (в конце тетради по физике).

– «Лабораторные работы по физике. 11 класс. Наблюдение линейчатого спектра на экране (дневной свет, свеча, водород, гелий, неон)». Конечно, при наличии в физкабинете нужного оборудования живой опыт необходим (отображение на макроуровне невидимых человеку микропроцессов). А анализ результатов опять же удобнее проводить на компьютерной модели, слайд 12. Серия эвристических    вопросов   для    осмысления опыта подбирается учителем.

 Мультимедийное приложение к учебно­методическим комплектам Пурышевой Н.С. и Важеевской Н.Е.  включает в себя виртуальные лаборатории для демон­страционных опытов. В качестве примеров можно привести анимацию «Движение двух поездов относительно друг друга» и интерактивную анимацию капризного опыта «Равномерное движение тележки с капельницей», слайды 13–14.  (Отметим, что подобное задание есть в КИМах ЕГЭ.)

Удобные для работы на уроке анимационные модели содержит CD «Физика на вашем компьютере» (Долгопрудный: Компания «Физикон», 1996). В него включены демонстрационные модели из «Физики в картинках», «Волновая оптика на компьютере», «Молекулярная физика на компьютере»,  «Открытая физика 1.0». Использовать их оптимально после натурных демонстраций с целью теоретического анализа (на слайде 15 представлен монтаж из трёх опытов: дифракция света, диффузия газов, поперечная механическая волна). В каждой модели возможны изменения физических параметров и зрительное отображение результатов.  

Наиболее близки к натуральным демонстрациям видеофрагменты опытов из CD­ППС: «Вся физика. Физическая энциклопедия» (М.: Руссобит­М, 2003), «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия» (ВШКМ­2003), «Уроки физики Кирилла и Мефодия. 7–11 кл.», «Физика в школе. Электронные уроки и тесты» (Просвещение­МЕДИА). В случае отсутствия  оборудования они могут замещать натурный опыт со всеми функциями живого эксперимента, но… в крайнем случае и  эпизодически. В числе последних изданий – «Экспериментальные задачи физического практикума» (Компания «Кирилл и Мефодий. М.: NMG, 2006). В кадре – список задач. Новое – возможность интерактивного построения графиков по своим данным, измеренным с помощью виртуальных инструментов, слайд 16.

Компьютерный эксперимент вводит в урок деятельностные технологии активного, развивающего обучения: метод проектов, элементы творческих мастерских, фронтальные и групповые методы работы и др. Тем самым эксперимент становится «универсальным дополнением практически к любой методике преподавания физики» [2, с. 44].

Можно предложить следующие общедидактические правила управления учебной деятельностью в случае использования демонстрационных компьютерных моделей:

– перед просмотром сформулировать учебную проблему и определить задачу демонстрации: зачем смотрим?

–  дать познавательную установку на восприятие и осмысление: что выделить?

– не следует учительскими комментариями  мешать процессу восприятия (включаться «до» и «после»);

– продумать заранее серию познавательных вопросов/заданий для последующего анализа;

– придерживаться диалоговой формы взаимодействия с учениками, учитывая интерактивные возможности самого электронного учебного материала;

– полезно повторить демонстрацию с использованием стоп­кадра/изменения параметров в узловых моментах объяснения или для комментария учащимися;

–  отметить условность  и ограниченность демонстрационной модели (менее всего это присуще видео­фрагментам);

–  возвратиться к содержанию демонстрации на последующих уроках (особенно в решении задач и обобщении материала темы);

– собрать подборку усложняющихся демонстраций на одной базовой компьютерной модели;

– разумно дополнить фронтальный компьютерный эксперимент (с учётом возможностей) индивидуальной работой с ним вне урока. 

Различные типы заданий, которые можно использовать при работе с интерактивными моделями, предложены в [2,  с. 45–48].  Обзор  электронных образовательных ресурсов, содержащих интерактивные компьютерные модели разного назначения, можно найти в [3]  (там они называются ЦОР).

Вопросы для самоконтроля

1. Как определяется в школьной практике понятие «физическая задача»?

2. Перечислите виды задачных моделей.

3. Какова структура задачной компьютерной модели?

4. Какие формы учебной работы вы предпочитаете при использовании компьютерных моделей? Почему?

5. Составляете ли вы на практике расчётные задачи на базе компьютерных моделей?

7. Используете ли вы конструкторские задачи? В какой ситуации? В чём их ценность?

8. Назовите основные учебные цели использования компьютерных экспериментальных моделей.

9. Каким, на ваш взгляд, требованиям (техническим и педагогическим) должны отвечать компьютерные модели, чтобы стать необходимым учебным средством?

В целом направление это весьма перспективно и широко обсуждается на страницах методических и педагогических журналов «Физика в школе», «Школьные технологии», «Информатика и образование».

Рекомендуемая литература

1. Хуторской А.В. Методы эвристического обучения. – Школьные технологии, 1999, № 1–2, с. 233–243.

2. Винницкий Ю.А., Нурмухамедов Г.М. Компьютерный эксперимент в курсе физики средней школы. – Физика в школе, 2006, № 6, с. 42–48.