CC BY
119МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ИКТ В ОБУЧЕНИИ
Д. В. Баяндин
ДИНАМИЧЕСКИЕ ИНТЕРАКТИВНЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ УЧАЩИХСЯ
Современные электронные издания (например, [1]-[2], [6]-[7], [11]-[12]) содержат разнообразные виртуальные учебные объекты. Рисунки и фотографии составляют пассивный статический, видеофрагменты и анимации - пассивныш динамический визуальные ряды; интерактивные рисунки, плакаты и таблицы образуют интерак-тивныт квазистатический визуальный ряд.
Самый высокий обучающий потенциал имеют компьютерные модели, составляющие интерактивный динамический визуальный ряд. Они представляют собой весьма объемный класс виртуальных учебных объектов, а учебное компьютерное моделирование с их использованием включает целый спектр видов учебной деятельности.
Наиболее распространены интерактивные модели демонстрационного характера, обеспечивающие - в дополнение к реальному демонстрационному эксперименту и его видеозаписям - наглядное представление физических понятий и законов. Кроме того:
- на основе динамических интерактивных моделей могут быть поставлены исследования, аналогичные традиционным лабораторным работам;
- существуют модельные конструкторы, позволяющие учащемуся собирать из готовых базовых элементов модели новых систем;
- инструментальные среды и среды программирования дают возможность создавать совершенно новые модели;
- модели-тренажеры позволяют отрабатывать навыки, полезные для решения задач;
- модели могут способствовать получению
отдельных умений и навыков, необходимых при проведении физического эксперимента;
- модели могут использоваться для пояснения порядка, приемов и специфических действий при выполнении реальных лабораторных работ;
- особые модели предназначены также для обработки данных, получаемых с датчиков реальных экспериментальных установок либо, напротив, для управления (в том числе удаленного) работой экспериментальных установок.
Разновидности и функции интерактивных моделей
Под моделированием в широком смысле понимают способ отображения и познания действительности, состоящий в замещении исследуемого феномена его моделью. Эту последнюю понимают [9], [13] как вспомогательный реальный объект или абстракцию, обладающую существенными чертами исходного объекта или явления, используемую для изучения этого объекта или явления и обладающую прогностическими свойствами.
Интерактивной компьютерной моделью назовем программную систему, которая способна интерпретировать действия пользователя и адекватно реагировать на них, в том числе обеспечивать управление изучаемыми процессами. Такие системы в большинстве случаев отображают внешний вид и поведение системы, взаимосвязи ее характеристик, а также визуализируют глубинные, скрытые в реальном мире от глаз
© Баяндин Д. В., 2009
и приборов процессы и даже реально не существующие или не имеющие внешнего вида объекты (понятия).
Основное отличие динамической интерактивной модели от других типов виртуальных учебных объектов состоит в том, что в ее основе лежит математическая модель, в известных границах адекватно и полно описывающая изучаемый феномен. В структуре интерактивной модели можно выделить математическое ядро, систему управления с блоком ввода данных и систему визуализации; более подробно этот вопрос обсуждается, например, в [5], [10].
Исходя из формальных признаков, связанных с особенностями структуры, внутри класса динамических интерактивных моделей можно выделить модели, предназначенные для демонстраций, исследования и конструирования. Добавление экспертной системы, диагностирующей и направляющей действия учащегося, позволяет строить интерактивныге тренажерыг и интерактивные задачи.
Демонстрация обычно строится на основе модели, имеющей небольшое число доступных пользователю степеней свободы и позволяющей наглядно иллюстрировать явление или поведение объекта в целенаправленно создаваемых условиях. Математическое ядро такой модели может быть как простым, так и сложным, но характерной особенностью является упрощенная система управления. Подчеркнем, что лаконичность системы управления связана не с особенностями ядра модели, а с методическим аспектом: внимание учащегося должно быть сосредоточено на основных проявлениях изучаемого феномена, не рассеиваясь на чрезмерном богатстве возможностей управления.
Исследовательская модель (моделъныш лабораторным стенд) предоставляет пользователю значительное число "рычагов управления" и обеспечивает исследование и анализ различных сторон моделируемого явления, особенностей поведения объекта при свободном выборе последовательности
воздействий и их интенсивности. С точки зрения структуры этот виртуальный учебный объект обладает развитой системой управления и системой визуализации "с запасом" изобразительных средств (либо моделирующая среда позволяет их пополнять в ходе работы).
Моделъныш конструктор основан на наборе элементов, позволяющих пользователю собрать на экране и таким образом спроектироватъ новую систему, чтобы затем исследовать ее. Математическое ядро в этом случае имеет самую сложную, иерархическую организацию. Система управления развитая, вдобавок желательно, чтобы моделирующая среда позволяла ее модифицировать. Система визуализации состоит из того же рода блоков отдельных элементов; дополнительные средства визуализации могут подключаться пользователем опять-таки за счет возможностей среды моделирования. В плане гибкости, адаптивности к запросам пользователя конструкторы - высшая форма модельных объектов.
Интерактивные задачи и тренажеры не только описывают некоторую сущность в пределах предметной области, но и обеспечивают возможность достижения пользователем поставленной цели путем перемещения объектов, манипуляций с инструментами, графических построений и других действий, а не просто путем выбора ответа или ввода числа (слова). Благодаря наличию в своей структуре экспертной системы они способны диагностировать действия пользователя и оценивать его правильность.
Интерактивным компьютерным моделям учебного назначения, как и моделям научноисследовательским, присущи определенные гносеологические функции. Следуя в целом работам [9] и [13], можно выделить следующие основные функции:
- аппроксимационная: отражение действительности с некоторым огрублением, упрощением ("выделение существенного с целью выяснения существенного") и последующим итерационным ростом адекватности модель-
ного описания явления, дополняемым элементами его объяснения;
- заместительно-эвристическая: выполнение роли одной из ступеней в процессе познания - промежуточного звена между теоретическим абстрактным мышлением и объективной действительностью, открытие новых путей развития теории;
- экстраполяционно-прогностическая: перенос свойств модели на изучаемый объект, построение и проверка теории, открытие пути подтверждающему эксперименту (формулировка условий его осуществления) и объяснение явления (установление причинных и закономерных связей, раскрытие их сущности);
- трансляционная: отражение действительности путем переноса информации с одной, изученной, сферы на другую, не изученную, но имеющую существенные черты сходства с первой;
- иллюстративная: демонстрация явления с целью установления связи между чувственным и логическим, конкретным и абстрактным (с элементами объяснения).
Гносеологическими функциями определяются дидактические и методологические функции учебных интерактивных моделей. Например, в работе [10] их дидактические функции связываются с возможностями использования как средства наглядности при предъявлении знания, как средства отработки у школьников познавательных умений и формирования навыков и как средства контроля уровня сформированности знаний и умений учащихся. Основная методологическая функция моделей по [10] - формирование у школьников опыта учебного исследования, в ходе которого происходит получение субъективно нового знания, и модельный эксперимент выступает в качестве метода познания.
Динамические интерактивные модели, как уже отмечалось, являются потенциально самыми полезными виртуальными учебными объектами, поскольку позволяют поддерживать многие важные этапы учебного исследования. Они могут быть использованы, чтобы:
- проводить наблюдение, классификацию и обобщение фактов, в том числе замечать сходство и закономерности результатов;
- проводить интерпретацию данных;
- давать объяснение наблюдаемым явлениям и выдвигать гипотезы;
- планировать модельный эксперимент для проверки гипотезы и проводить его;
- делать выводы и заключения на основе проведенных исследований.
Интерактивные модели при изучении нового материала в кабинете физики
1. Первоочередное назначение модельной демонстрации - обеспечение наглядности, создание яркого, запоминающегося образа, "опорного сигнала", сформировать который традиционными средствами тем сложнее, чем более абстрактна задача. При этом задействованной оказывается в основном иллюстративная функция модели.
Значительно богаче по функциям и потому сложнее в реализации его возможностей моделъныт лабораторныш стенд. Поэтому первые образцы исследования на модели учащиеся должны получать "из рук" учителя при объяснении нового материала. Например, серия моделей может быть использована в ходе объяснения таких непростых для восприятия и математического описания вопросов, как статистическое описание систем частиц, понятие молекулярного хаоса, закон распределения Максвелла по скоростям.
Представим молекулы как небольшие упругие шарики, при столкновении которых между собой и со стенками "сосуда" выполняются законы сохранения импульса и энергии. Пусть модель позволяет задавать начальное пространственное распределение частиц, а также модули и направления векторов их скорости.
Для начала посредством вычислительного эксперимента имеет смысл показать, что любое упорядоченное движение частиц, искусственно заданное в начальный момент, с течением времени превращается в хаос (см., например, рис. 1).
Рис. 1. Образование хаоса при одновременном старте от стенки [1], [3], [6], [12]
Собрав затем начала векторов скоростей всех частиц в одну точку, модель демонстрирует, что их распределение по направлению носит случайный характер и является изотропным. Этот хаос, однако, подчиняется закономерности, которая выражается в характерном распределении частиц по абсолютным значениям скорости (на рис.1 изображено гистограммой), причем при дальнейшем расчете это распределение практически не изменяется. Таким образом, могут быть введены понятия микро- и макросостояния системы.
Далее целесообразно показать, что в такое макроскопическое состояние система приходит по прошествии длительного времени вне зависимости от начального расположения частиц и направления векторов их скоростей. Представляет интерес и зависимость вида распределения от начальной средней энергии частиц.
С помощью других моделей можно проиллюстрировать такие особенности состояния термодинамического равновесия как равномерное (в среднем) распределение частиц по объему (рис. 2) и равенство (в сред-
Рис. 2. Установление равновесия в распределении частиц по половинам сосуда [3], [6], [12]
Рис. 3. Перемешивание частиц двух сортов при одинаковой начальной средней
скорости [3], [6], [12]
нем) кинетической энергии частиц с различной массой (рис. 3). Обнаруженное равенство средних энергий частиц, как и равенство концентраций, не является точным, а проявляется как тенденция. Так естественным образом вводятся понятия макропараметра состояния системы, его среднего значения и флуктуации.
На наш взгляд, использование модельного подхода позволяет подать материал доступно, наглядно и достаточно корректно, сформировать у школьников устойчивые и физически верные представления о тепловых явлениях.
2. В основу изложения нового материала может быть положена и единственная модель, вписанная в канву обучающего сценария. В его рамках возможно систематическое исследование модели в различных режимах, а также выполнение сопутствующих интерактивных заданий, контролирующих усвоение материала. Занятие может
проходить в предметном кабинете с использованием мультимедийного проектора, возможно, с интерактивной доской либо, если материал не слишком сложен, в компьютерном классе. Очевидно, что сценарий должен содержать минимум текста и максимум интерактивного материала.
Например, обучающий сценарий "Основное уравнение МКТ газов" [5], [6], [12] основан на модели "Давление газа на стенки сосуда", в которой давление вычисляется как средний за время наблюдения импульс силы, полученный стенкой. График зависимости определенного таким образом давления от времени (рис. 4) ярко иллюстрирует статистический характер давления: при каждом новом ударе о стенку давление увеличивается скачком (поскольку время удара мало), затем монотонно уменьшается вплоть до следующего удара (поскольку растет время наблюдения при неизменном суммарном
Рис. 4. Зависимость давления газа от концентрации молекул [5], [6], [12]
м
начальная скорость 5,7 м/с угол бросания 65 °
начальная высота О М
X = 2.8 м
У = 0 м
Ух = 2,4 м/с
Уу = -5,2 м/с
дальность полета 2,5 м
стрелять ш пауза/продолжить <» стереть траектории
Рис. 5. Движение тела, брошенного под углом к горизонту [12]
полученном стенкой импульсе). В результате значение давления меняется вблизи некоторого среднего значения, к которому и стремится при больших значениях времени наблюдения.
На описанной модели проводится четыре серии опытов, в первой из которых меняется только количество (концентрация) частиц (результат изображен на рис. 4), во второй -только их среднеквадратичная скорость, в третьей - только масса частиц; четвертая серия демонстрирует тенденцию к равенству средних квадратов для компонент вектора скорости.
Достоинство обучающего сценария - легкость его использования учителем, поскольку, в отличие от серии демонстраций, сценарий имеет четкую структуру и не требует долгой подготовки к занятию. Недостатком, соответственно, является ограничение свободы и инициативы преподавателя, которое сглаживается при наличии удобной навигации, дающей возможность рассмотреть лишь желаемые фрагменты, и умении учителя поставить сценарий в общий аудиовизуальный ряд урока наравне с другими виртуальными учебными объектами.
3. Следующий этап на пути к самостоятельному проведению модельного эксперимента учащиеся могут пройти также в кабинете физики при использовании групповой
формы работы, предполагающей обсуждение в малой группе и в масштабах класса, обмен идеями и опытом; существенны наличие элемента соревнования и возможность консультации учителя.
Например, модель, представленная на рис. 5, позволяет исследовать зависимость различных параметров траектории от скорости и угла бросания, а также начальной высоты тела; таким образом, четыре и более групп учащихся могут выбрать различные цели эксперимента, провести исследование, а затем представить классу его результаты. Самостоятельное планирование учащимся модельного исследования требует определенных знаний, понимания и опыта такого рода работы. Не обладающий навыками проведения эксперимента - неважно, реального или численного - школьник часто даже не понимает, что начальные условия нельзя менять хаотически, нужно продумать систему изменений.
Таким образом, при работе в группах учащиеся получают опыт самостоятельного наблюдения и анализа данных, выдвижения и обоснования гипотезы, определения порядка проведения эксперимента и выбора формы кодирования результатов, учатся делать вывод; со временем они смогут формулировать самостоятельно и цель исследования.
Перечисленные этапы вполне полноценны в плане приобретения ряда умений, необходимых для исследования, и в этом смысле работа с компьютерной моделью и с физической установкой схожа и практически в одинаковой степени полезна. В обоих случаях наиболее важными являются: а) мыслительные процессы, происходящие в мозгу учащегося; б) технические возможности "лабораторного стенда" по проверке и, при необходимости, коррекции гипотезы исследования, исправления ошибок за счет оперативной обратной связи, которую обеспечивают измерительные приборы или интерфейс модели. При этом реальный лабораторный стенд, конечно же, много богаче по своим свойствам и их проявлениям, чем имитирующий его стенд виртуальный. При вычислительном эксперименте обедняется по сравнению с реальным чувственная сторона процесса познания, разрывается связь с объективной реальностью, но для отдельных этапов это может быть непринципиальным. Углубление понимания физического содержания изучаемого феномена достигается при совмещении реального и модельного эксперимента. В ходе работы в группах целесообразно также обсудить факторы, которыми в компьютерной модели пренебрегли, с каких точек зрения это хорошо, а с каких - плохо, можно выяснить границы корректности этой идеализации.
Интерактивные модели при работе в компьютерном классе
После того, как учащиеся получили первый опыт самостоятельного исследования на моделях, можно переходить к работе с ними в компьютерном классе. Интерес представляют: 1) численный эксперимент на трех уровнях (исследование готовой модели; исследование модели, собранной из конструктора; разработка учащимися собственных моделей в инструментальной среде или среде программирования); 2) тренинг умений и навыков на динамической модели и на интерактивных тренажерах (который рассмотрен в [4] и здесь подробно не обсуждается).
1. Работа по исследованию модели во многом похожа на традиционную лабораторную работу, поэтому обсуждаемый жанр нередко называют модельным практикумом. В связи с этой формой работы требуют обсуждения два важных момента.
Первый - это то, что для использования в качестве объекта исследования подходит не всякая модель. Основная часть моделей распространенных ЭИ построена на одном-двух несложных физических законах в форме алгебраических уравнений и призвана лишь создать наглядный образ, т.е. имеет сугубо иллюстративный характер; на некоторых моделях могут быть поставлены задачи расчета параметров системы по изображению, которое дает система визуализации. Такие модели недалеко уходят от видео и анимации, являются элементами визуального ряда и только. Говорить о содержательном исследовании можно, если модель не просто табулирует заложенные в нее уравнения, но ведет серьезный расчет и дает некоторый новый результат, имеющий новое качество. Так дело обстоит, если основой модели являются дифференциальные уравнения, т. е. описаны связи величин на малых временных масштабах, а на интегральных они неочевидны, так что результат может быть различным в зависимости от варианта управления. Другой случай - появление нового качества за счет количества, например, в описанных выше экспериментах с ансамблем нескольких десятков частиц, когда модель открывает не заложенные в нее изначально нулевое начало термодинамики, распределение Максвелла и другие нетривиальные закономерности. При этом задействуются не только аппроксимационная и иллюстративная функции модели, но и прогностическая, и, в конечном счете, эвристическая. Вообще, исследовательскую модель всегда можно использовать для демонстрации, а наоборот - редко.
Нужно понимать, что следует ставить адекватную модельному эксперименту цель: не "доказать справедливость" или "проверить выполнение" закона, а изучить формы его
проявления, особенности поведения системы, описываемые этим законом и т.д.
Второй момент, требующий серьезного обсуждения: какова должна быть методика построения самостоятельной работы учащихся с моделями. С формальной точки зрения, модель, пригодная для исследования
- система со значительным количеством "рычагов управления". Предоставляемый широкий спектр возможных воздействий на модель - это свобода, которой учащемуся очень непросто научиться эффективно пользоваться, поэтому модельный практикум является одним из самых сложных видов учебной деятельности с использованием цифровых технологий.
В некоторых ЭИ интерактивные модели сопровождаются изложением теории [2], [11], но не содержат методических рекомендаций по использованию. В других продуктах (например, в [6], [12]) эти рекомендации имеются, но в основном описывают возможности модели и рассчитаны в большей степени на учителя. Предполагается, что учитель конкретизирует задания, адаптирует их под определенную аудиторию и условия - как в смысле объема работы и уровня сложности, так и в смысле степени де-тализации описания-инструкции для уча-щихся. Инструкции эти могут быть либо "зашиты" в программном продукте, либо предоставляются в виде твердой копии. Некоторые учителя даже выдают "трафарет" отчета, который следует заполнить числовой или текстовой информацией, затем проанализировать и сделать вывод. Степень детализации инструкции объективно различна для разных педагогов, а также разных по возрасту и степени подготовленности аудиторий учащихся.
Наблюдения показывают, что имеющие частный характер текстовые инструкции нередко оказываются недостаточными для организации успешного, заинтересованного выполнения работы и не являются оптимальным средством для развития познавательных умений и активности учащихся.
Существенно лучше, чем инструкция на бумаге или на экране компьютера, воспринимается, настраивает на работу и способствует усвоению метода исследования 5-10минутная проблемная беседа в начале занятия. В ходе ее учитель должен заинтересовать учащихся, "запустить" их мыслительную деятельность и обеспечить получение обучающего результата. Степень подробности устного инструктажа также зависит от аудитории. Для самостоятельных и подготовленных к такого рода работе учащихся требуется меньшее время, для слабых -большее. Например, не во всяком классе целесообразно обсуждение того, сколько следует взять экспериментальных точек, в каком диапазоне значений изменяемого параметра, каким должен быть шаг его изменения и т.д.
Локальные диалоги учащихся с учителем целесообразны и в ходе дальнейшей работы: анкетирование показывает, что школьники весьма позитивно воспринимают возможность контакта с учителем. Напротив, если учитель устраняется от обсуждения, результат не будет высоким. Общее обсуждение желательно провести в конце урока, на этапе анализа результатов и формулирования выводов. Объяснение результатов иногда можно оставить для домашнего обдумывания с непременным обсуждением на следующем занятии.
Развитие познавательных умений и получение опыта планирования исследования требует самостоятельности учащихся, но желательно наличие общей канвы, поясняющей, как это следует делать. Удобно применять обобщенный план работы с интерактивными моделями, например, изложенный в [10]. Следование обобщенному плану деятельности позволяет максимально полно извлечь заложенную в модель учебную информацию.
При работе с интерактивными моделями (как в ходе модельного практикума, так и во время тренинга) предпочтительно, чтобы за одним компьютером занимались два или три
ученика. В процессе работы такая группа интенсивно общается, обсуждает поведение модели и пути решения задачи. Учащиеся вынуждены говорить, выражать свои мысли, отстаивать точку зрения, что очень важно для их развития - как предметно-ориентированного, так и социального.
По итогам выполнения модельной работы необходимо составление отчета (в "бумажном" или цифровом виде), который - аналогично отчету работы традиционного лабораторного практикума - должен содержать название, цель, объект исследования, методы исследования, таблицы данных, графики (диаграммы), вывод.
Дополнительным стимулом для качественного выполнения работ модельного практикума служит решение на заключительном этапе занятия тематически связанных с модельным материалом задач. Предпочтительным представляется использование интерактивных задач в той же компьютерной среде, поскольку этот вариант не требует от учителя дополнительных организационных усилий, позволяет при необходимости оказать помощь менее динамичной части класса. Комплект из модельной работы и цикла интерактивных задач, по сути, представляет собой единый обучающий сценарий; такие комплекты содержатся в [6], [11-12].
Количество модельных работ, выполняемых учащимися в течение учебного года, может быть примерно равным количеству выполняемых реальных лабораторных работ.
Одно из опасений, звучащих в связи с информатизацией курса физики, связано с угрозой вытеснения реального физического эксперимента модельным практикумом, потерей школьниками интереса к обычным лабораторным работам. Однако исследования (см., например, [5]), проведенные в классах, успешно освоивших новую форму работы, показали, что школьники достаточно взвешенно относятся к этому вопросу. Большинство опрошенных высказались за сохранение соотношения 1:1, либо за увеличение веса реальных работ, и только
пятая часть учащихся предпочла компьютерные уроки экспериментальным. Оказалось, что ученики практически одинаково для двух разных видов уроков оценивают возможности улучшения понимания нового материала, развития своих способностей, открытия нового. Явное предпочтение встречается в оценке только одного аспекта урока: возможности общения на лабораторных работах физического практикума больше.
Разумеется, реальный эксперимент нельзя заменять компьютерными технологиями, но при наличии продуманной методики последние могут служить дополнительным инструментом, средством обучающего воздействия, которое позволяет экономить время и усилия учителя, отрабатывать умения и навыки, в том числе связанные с экспериментальной деятельностью, и даже формировать отдельные элементы эмпирического мышления.
2. Уровень работы с готовыми моделями -наиболее доступный, однако он устраивает не всех педагогов. Неудовлетворенность могут вызывать как "мелочи" (например, недостаточность или избыточность средств визуализации и степени автоматизации компьютерного эксперимента), так и более крупные проблемы (невозможность изменить средства управления, конфигурацию задачи, наконец, саму модель с тем, чтобы повысить уровень ее адекватности, описать новые стороны явления).
Альтернативой готовым проектам являются конструкторы моделей -физических объектов, свойств, явлений, законов - и моделирующая среда, в которой на основе этих конструкторов можно синтезировать и рассчитывать новые задачи. Системы, предоставляющие возможность конструирования, сравнительно немногочисленны. Примером продукта, в котором последовательно реализован принцип конструирования, является проектная среда "Живая физика" [7], позволяющая легко и удобно создавать комплексные модели на базе готовых конструкторов и визуализировать их. Широкие возможности конструирования
предоставляют образовательные программные продукты, разработанные на основе и функционирующие в рамках инструментальных систем, например, моделирующая среда "Виртуальная физика" [6] и среда ее разработки - инструментальная система визуального проектирования и математического моделирования Б1га1иш-2000. Известны допускающие конструирование учебнометодические комплексы на базе пакетов БтиКпк, МЛТЬЛБ и др. В большинстве случаев средства управления и визуализации происходящих процессов (отображение числовой информации, цветовая индикация, построение графиков, диаграмм) предоставляются средой моделирования; пользователь только формирует желательную их конфигурацию.
Приведем несколько примеров модельных конструкторов. Наиболее очевидна целесообразность создания конструктора электрических цепей [6], [11]: из весьма небольшого количества базовых элементов (резистора, емкости, индуктивности, источника питания, измерительных приборов, ключей, узлов цепи, модель которых содержит уравнение первого правила Кирхгофа) можно собрать практически бесконечное число схем. Сборка цепи осуществляется путем манипуляций мышью с пиктографическими изображениями элементов, имеющих математическое описание. На основе такого конструктора могут быть собраны разнообразные электрические цепи, позволяющие моделировать:
- последовательные и параллельные соединения резисторов, емкостей, индуктивностей;
- разветвленные цепи, например, мост Уитстона;
- цепи с емкостями, в которых происходит перераспределение зарядов между элементами;
- цепи с индуктивностями, в которых возникают экстратоки замыкания и размыкания;
-колебательные контуры, в которых происходят свободные или вынужденные, гармонические или затухающие колебания, возможно возникновение резонанса и т.д.
Другой весьма важный, обладающий богатыми возможностями конструктор объединяет объекты, рассматриваемые в механике [6], [7]. В составе конструктора массивные тела различной формы, пружины, блоки и другие объекты с изменяемыми свойствами. Область применимости моделей такого конструктора выходит за рамки механики. На его основе построены, например, упоминавшиеся в предыдущем подразделе модель движения тела, брошенного под углом к горизонту, и модель газа, описывающая распределения Больцмана и Максвелла, перемешивание газов с разными температурами и молекулярными массами, установление термодинамического равновесия и другие эффекты. Конструктор позволяет пояснить, почему газ при сжатии нагревается, показать, как происходит диффузия, каковы закономерности броуновского движения.
Интерес представляет и конструктор, позволяющий рассчитывать электростатические поля распределенных зарядов и поведение в этих полях заряженных тел (рис. 6 а). Ансамбль заряженных частиц может иллюстрировать свойства реального газа (например, с Ван-дер-Ваальсовским взаимодействием), показывать, что и в таком газе имеют место классические статраспреде-ления, пояснять опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.
Широкие возможности физического исследования на модели предоставляет конструктор "Геометрическая оптика" (рис. 6 б), содержащий двумерные модели однолучевых и многолучевых источников света, плоских и сферических зеркал, тонких линз, плоскопараллельных пластин, призм и ряда вспомогательных объектов. Конструктор позволяет иллюстрировать ключевые для школьной геометрической оптики ситуации:
- строить ход лучей в системах плоских зеркал, исследовать положения изображений, возможность их наблюдения из различных областей пространства;
- строить ход лучей и изображения точечных и распределенных источников света в
3 9
Рис. 6. Конструкторы а) - "Поля статических зарядов" и б) - "Геометрическая оптика" [6]
системах линз и зеркал с исследованием свойств изображений (действительное-мнимое, увеличенное-уменьшенное, прямое-обратное), определением коэффициента увеличения;
- строить ход лучей в плоскопараллельной пластине и призме с наблюдением эффектов полного внутреннего отражения и дисперсии;
- собирать и изучать принцип действия простых оптических приборов (перископ, микроскоп, телескоп, монохроматор и так далее).
Опыт показывает, что сборка схем из элементов конструкторов с технической точки зрения доступна как педагогам, так и учащимся. Девятиклассники способны в течение 10-15 минут освоить манипуляции, необходимые для построения схемы; несколько больше времени требуется преподавателям. Тем не менее приходится констатировать, что режим конструирования не востребован в массовой школьной практике. Это можно объяснить тем, что методика использования конструкторского модельного материала - серьезная задача, требующая от педагога значительных интеллектуальных и временных затрат. Для индивидуальной работы учащихся в режиме
конструирования нужна глубоко продуманная постановка задания, которая обеспечивает в достаточной мере самостоятельную, осмысленную и целенаправленную деятельность учащихся, возможность получения ими "измеряемого" по качеству результата, полезность и эффективность работы. Использование конструкторов учителем при объяснении нового материала также является экзотикой.
3. Особый род учебной работы представляет собой разработка школьниками новых моделей, которая оформляется либо как проектная деятельность, либо как отдельный курс моделирования, что весьма привлекательно в условиях растущего дефицита часов, выделяемых образовательными программами на предметы естественноматематического цикла, и актуальности ведения интегрированных, синтетических учебных курсов. Безусловно, привлекателен синтез такой сложной, требующей наглядной подачи материала дисциплины, как физика с современными компьютерными технологиями, информатикой. Последняя при этом перестает быть самодовлеющей абстракцией, открывая учащимся свой прикладной характер. Хочется надеяться, что курс моделирования физических систем и явлений
будет, наконец, востребован в профильной школе.
Имеется значительное количество компьютерных сред, учебных пособий и методических исследований, которые могут служить основой такого курса, однако в качестве инструмента разработки обычно предполагаются языки программирования (Basic, Pascal), среды программирования (Delphi, Visual Basic) или пакеты прикладных программ (MathCad, MATLAB и др.). В этом случае значительная доля усилий учащихся оказывается направленной на разработку программной части, особенно блока визуализации, физическое содержание решаемой задачи остается на втором плане. Альтернативой могут выступать курсы моделирования, построенные на основе инструментальных средств. При работе с ним на первом плане оказывается именно построение математической модели системы; что же касается проблем визуализации, то их, в основном, решает встроенный сервис инструмента.
В завершение обсуждения трех рассмотренных выше уровней моделирования отметим, что дидактические цели для них различны.
В режиме работы с готовой моделью целью может быть: изучение закономерностей поведения системы (самой модели и, в меру ее адекватности, моделируемой реальности) в некоторых создаваемых пользователем условиях; выявление различных режимов протекания процессов и условий их реализации; обнаружение качественно новых эффектов, проявляющихся на больших временных или пространственных масштабах, ансамблях объектов; ознакомление с методами изучения различных физических явлений, а также принципами действия приборов, установок, с классическими историческими опытами.
При конструировании модели из базовых элементов к перечисленным целям следует добавить: проектирование принципиальных схем устройств и приборов, визуализация не очевидных сторон моделируемых процес-
сов, создание условий для проявления некоторых эффектов, прогнозирование поведения модели в измененныгх условиях и проверка прогноза.
Для режима разработки собственных моделей его цели дополняются такими позициями, как: формулирование полной и корректной математической модели, ее реализация средствами моделирующей среды, проведение вычислительного эксперимента в широком диапазоне значений определяющих параметров; проведение критического анализа результатов, сравнение с натурным или лабораторным экспериментом, при необходимости - корректировка модели. При этом модельная деятельность, как и для режима конструирования, несет одновременно черты экспериментального и теоретического исследования.
4. При работе в компьютерном классе эффективен тренинг умений и навыков на динамической модели и на интерактивных тренажерах. Отработка умений и навыков, необходимых для решения задач, на интерактивных тренажерах, которые направляют обучение с помощью встроенной экспертной системы излагается, например, в [4], [5]. Возможен и другой, похожий на игру, тип тренинга - на динамической модели, когда пользователь должен определенным образом реагировать на условия, предъявляемые компьютером. Задания могут быть такими:
- "убери лишний", "подбери пару", "рассортируй", "расставь по порядку", "выбери наилучший из...";
- "делай как я" (дублирование действий системы);
- "делай с нами, делай как мы, делай лучше нас" (опережение действий системы на один или более шагов);
- "сделай так, чтобы..." (задание начальный условий, реализующих определенный ход модельного эксперимента);
- "посмотри и сформулируй вывод (сделай обобщение)";
- "найди закономерность" (качественную
Рис. 7. Тренажер на динамической модели типа "Сделай так, чтобы.. и задание интерактивного тренажера по той же теме [12]
или количественную, возможно, с построением таблицы, графика или формулы);
- "дай прогноз поведения системы" (дальнейшего во времени или при систематическом изменении условий).
На рис. 7 представлены динамический тренажер на построение графика скорости, соответствующего данному графику для координаты (нужно так управлять скоростью тела, чтобы строящийся график координаты совпал с предъявленным шаблоном), и парный ему интерактивный тренажер-задача. Отличие динамического тренажера в том, что он не должен содержать экспертную систему: учащийся видит результат работы динамической модели и самостоятельно оценивает, верно ли он определил значение скорости, совпадают ли графики.
Интерактивные модели для поддержки физического лабораторного практикума
В связи с выполнением учащимися работ лабораторного практикума возникает еще ряд видов компьютерной поддержки курса физики.
В составе ЭИ появились интерактивные тренажеры, предназначенные для отработки отдельных экспериментальных умений и навыков. Хорошо реализуются на компьютере процедуры снятия показаний измерительных приборов (штангенциркуля, многопредельных стрелочных электроизмерительных приборов, осциллографа), оценки соответствующих погрешностей. Появились имитаторы сложных и дорогостоящих приборов, например, связанных с ядерной физикой. Тренингу может подвергаться сама процедура замеров в типовых для лабораторного эксперимента ситуациях, например, определение длительности процесса (соскальзывания тела с наклонной плоскости, периода
Рис. 8. Тренажеры экспериментальных навыков [6], [8], [12]
колебаний некоторой системы), представленного интерактивной моделью или видеозаписью. Экспертная система тренажера проследит, чтобы все действия были выполнены каждым учащимся самостоятельно и при этом выполнены верно. Имеются задания, в которых имитируется сборка электрических цепей или оптических систем по предоставленным схемам или фотографиям [2]. Эти тренажеры полезны в фазе подготовки к работе.
В ходе выполнения классом фронтального эксперимента в кабинете физики полезными оказываются реализованные в компьютерной среде и выводимые с помощью проектора на экран или интерактивную доску блоки методической поддержки для выполнения лабораторных работ (рис. 9). Новое качество таких цифровых материалов достигается, если такие блоки содержат интерактивный материал: динамические сюжеты, позволяющие обсудить с классом особенности изучаемого явления, модель, имитирующую исследуемую систему и производимые с ней в ходе эксперимента манипуляции, позволяющую объяснить некоторые тонкости в ходе эксперимента (как альтернатива технически более сложной процедуре проецирования на экран изображения с видеокамеры), интерактивные таблицы, иллюстрирующие ход и порядок обработки данных.
На начальном этапе урока учитель ставит задачу классу в декларативной форме, либо в форме проблемной беседы, в ходе которой
формулируются цель и задачи эксперимента. На этапе выполнения работы учащиеся имеют возможность при необходимости подходить к компьютеру или интерактивной доске, чтобы разобраться в порядке выполнения работы, устройстве измерительной установки, смысле рекомендуемых действий, деталях проведения измерений.
На этапе кодирования результатов эксперимента, их обработки и анализа цифровые технологии также могут оказать учителю значительную помощь. Возможна отработка на интерактивных тренажерах умений проектировать структуру таблиц данных, отображать связи физических величин в форме графиков и аналитических выражений, оформлять результат эксперимента в виде доверительного интервала с разумной точностью, записывать значения характеристик в различных системах единиц и так далее. Поскольку, с точки зрения физики, это в основном технические вопросы, такие тренажеры не обязательно должны быть приложением к конкретному физическому эксперименту. Они могут быть сопряжены с имитационной моделью и даже - для экономии времени - видеозаписью эксперимента или анимацией. Очевидная форма использования компьютерных технологий -обработка экспериментальных данных с помощью пакетов прикладных программ или программ, написанных самими учащимися.
Отметим также, что возможно использование компьютерных тестов как формы
Рис. 9. Методическая поддержка фронтального лабораторного эксперимента [12]
допуска (проверки готовности) к выполнению лабораторной работы или, напротив, отчетности (проверки связанных с лабораторной работой знаний и умений). Вопросы теста могут иметь различную форму - от простейших заданий закрытого типа до серьезных проектов, построенных на анализе видео- или анимационных сюжетов или интерактивных моделей.
Использование компьютерных технологий эффективно при отработке элементарных навыков, и, разумеется, речь не идет о подмене реального эксперимента компьютерными имитациями. В ходе учения необходимы этапы (перед компьютерным тренажом или после него), на которых все умения и навыки объединены в "сплошном" процессе проведения эксперимента, причем эксперимент должен уже быть не виртуальным, а реаль-
ным. Таким образом, компьютерные тренажеры снимают с учителя рутинную работу -многократное объяснение и контроль базовых умений и навыков - и позволяют ему сосредоточиться на более сложных, творческих, трудно алгоритмизируемых моментах.
В целом интерактивные модели всех видов
- одни в большей, другие в меньшей степени
- способствуют формированию у учащихся частных и обобщенных умений, полезных для осуществления различных видов деятельности, в том числе познавательных умений, связанных с проведением эксперимента, решения задач, обобщения и систематизации информации. Компьютерное моделирование способствует обучению школьников применять компьютер как инструмент познания и обработки информации.
Библиографический список
1. 1С: Школа. Физика 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий / под ред. Н.К.Хананова. М.: Дрофа, 2004.
2. 1С: Школа. Физика 10-11 классы. Подготовка к ЕГЭ /под ред. Н.К.Хананова. М.:1С, 2004.
3. Баяндин Д.В. Закономерности хаоса (об использовании компьютерныых модельныых экспериментов) / Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, Н. К. Ханнанов // Физика. М.: 1 сентября, 2004. № 32. С. 7-15.
4. Баяндин Д. В. Интерактивные компьютерные тренажеры в школьном курсе физики / Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, Н. К. Ханнанов // Физика в школе. № 4, 2006.С.3-10.
5. Баяндин Д. В. Моделирующие системы для развития информационно-образовательной среды (на примере предметной области "физика") / Д. В. Баяндин Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007.
6. Виртуальная физика (еРЬуэшэ). Активная обучающая средадля среднего и высшего образования / Д. В. Баяндин, О. И. Мухин и др. Пермь: РЦИ ПГТУ 1998-2005.
7.Живая физика 2000. М.: ИНТ, 2002.
8. Лабораторные работы по физике (виртуальная физическая лаборатория). Дрофа, Квазар-микро. М.: Дрофа, 2006. (Серия CD для7-11 классов в12 частях (6 CD).
9. Новик И. Б. О моделировании сложных систем / И. Б. Новик. М.: Мысль, 1965.
10. Оспенников Н.А. Обучение будущих учителей физики формированию у учащихся обобщенного подхода к работе с интерактивными учебными моделями / Н.А. Оспенников // Вестник ПГПУ. Серия "ИКТ в образовании". - Пермь, ПГПУ, 2007. - Вып.3. -С. 51 - 70. http:\mdito.pspu.ru
11. Открытая физика. Версия 2.5 / под ред. С. М. Козела. М.: Физикон, 2002.
12. Физика 10. Инновационный учебнометодический комплекс / Д. В. Баяндин, Н. Н. Медведева, О. И. Мухин и др. М.: Просвещение-МЕДИА, 2008.
13. Штофф В. А. О роли моделей в познании /В. А. Штофф. Л.: ЛГУ, 1963.
