CC BY
120
Дидактические аспекты применения интерактивных компьютерных технологий в лабораторном практикуме
Баяндин Дмитрий Владиславович к. ф.-м. н., доцент кафедры общей физики, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Комсомольский пр., 29, г. Пермь, 614000, (342)2377912, baya260861@yandex.ru
Аннотация
Обсуждаются пути развития лабораторного практикума по физике средствами интерактивных компьютерных технологий. Рассматриваются технологические и дидактические аспекты этого процесса. Описываются варианты использования виртуальных учебных объектов различного типа для обеспечения поддержки операций, которые учащиеся выполняют при подготовке к лабораторным работам, при выполнении измерений и их обработке, при анализе результатов и составлении отчетов, а также при защите работ. Примеры приводятся, в основном, из состава компьютерной обучающей среды «Ин-тер@ктивная физика», разработанной Институтом инновационных технологий (г. Пермь). Обсуждаются возможности интерактивных компьютерных моделей и тренажеров в формировании элементов эмпирического мышления и навыков проведения физического эксперимента.
The article reviews the ways of physics laboratory practicum development by means of interactive computer technologies. It examines technological and didactic aspects of this process and describes variants of different virtual training objects application to support students in their laboratory work preparation, measurements, handling and analyzing its results, report composition and thesis defense. Examples are given mostly from the virtual environment "Inter@ctive Physics", produced by Innovation Technologies Institute (Perm). The author also discusses the capability of interactive computer models and training to build up the elements of empirical thinking and improve the skills of physics experiment realization.
Ключевые слова
лабораторный практикум, интерактивные компьютерные модели, интерактивные тренажеры и задачи, модернизация форм и методов обучения, дидактические материалы
laboratory practice, interactive computer models, interactive simulators and tasks, modernization of forms and methods of teaching, didactic materials
Введение
Одно из основных опасений, которые высказываются в связи с происходящей информатизацией обучения физике, - риск вытеснения классического лабораторного практикума компьютерным (виртуальным). Спору нет, неразумное и вредоносное использование любых новшеств возможно. Однако при взвешенном и обоснованном их применении компьютерные технологии (КТ) не только не вредят, но и способствуют повышению эффективности традиционных форм учебной работы, в нашем случае - выполнению лабораторных работ с использованием физических приборов.
Не будем касаться здесь "компьютерных работ", основанных на видеоматериалах [1] или на интерактивных моделях, не привязанных к реальному оборудованию [2-5]. Базовые положения методики использования компьютерного эксперимента в физическом образовании сформулированы в работах [6-7]. В частности, здесь показано, что "компьютерный эксперимент не сужает область применения обычного, они не являются альтернативой, а дополняют друг друга" [6, с. 101].
Из вариантов использования КТ в связи с лабораторным физическим практикумом отметим ряд наиболее характерных.
Во-первых, это автоматизированный лабораторный эксперимент [8-11], стоящий наиболее близко к современным научным экспериментальным исследованиям в плане технической организации. Во-вторых, это комплексирование реального оборудования с муляжами-симуляторами дорогостоящих приборов, имеющими в своей основе компьютерную модель. Этот вариант, возможно, является спорным, но во всяком случае не однозначно предосудительным, поскольку зачастую сложные измерительные приборы мало отличаются внешне от "черного ящика", во всяком случае, с точки зрения обучающегося.
Далее, известный вариант применения КТ состоит в использовании наряду с текстовыми методическими руководствами компьютерных материалов - видео, анимационных или модельных [12-13], предназначенных для фронтального ("из рук" преподавателя) или индивидуального использования при подготовке к лабораторной работе или в ходе ее выполнения. С помощью таких пособий до учащихся можно доводить информацию, касающуюся устройства и принципа действия приборов, особенностей методики и порядка выполнения измерений, их обработки, возможных исходов эксперимента при различных значениях параметров.
Наиболее очевидным и часто встречающимся вариантом использования КТ является тестирование учащихся по материалу реальной лабораторной работы -предварительное (допуск к выполнению) или итоговое (проверка уяснения содержания и смысла полученных результатов). Эффективность такой формы работы определяется, в основном, качеством базы тестовых заданий и возможностью учета специфики материала. Следует отметить возможность использования в составе тестов не только заданий открытого или закрытого типа и заданий на установление соответствия, но и интерактивных заданий высокого уровня, например, сборку электрической цепи экспериментальной установки в соответствии с ее принципиальной схемой
[4].
Перечисленными выше варианты применения КТ для поддержки лабораторного практикума не исчерпываются. Наоборот, "на стыке" традиционных и виртуальных технологий обнаруживаются новые дидактические возможности [14-16].
В классическом лабораторном практикуме непосредственная работа с приборами, проведение измерений на лабораторной установке, обработка и анализ экспериментальных данных составляют базовую часть деятельности учащегося (школьника или студента), но не исчерпывают ее. Как минимум, нужно изучить теоретические и практические основы метода исследования и пройти контроль их знания в той или иной форме. Для качественного освоения не только метода, но темы работы необходимо в более широком аспекте осмыслить информацию, научиться оперировать с ней. Поэтому нередко преподаватель оценивает также знание общей теории по теме, иногда - в форме контроля способности студента решать простые или сложные задачи. Может требоваться выполнение и иных по форме и содержанию заданий в рамках темы. Таким образом, практикум представляет собой последовательность многокомпонентных блоков ("кейсов"), ядром каждого из которых является собственно эксперимент, а "оболочками" - другие виды учебной деятельности. При составлении "кейса" преподавателем и при его выполнении учащимся могут, очевидно, использоваться как традиционные, так и компьютерные технологии. В том числе компонентом " кейса" может быть исследование на компьютерной модели, отработка умений на
компьютерном тренажере, решение на компьютере задач и тестов. Соответствующее программное обеспечение играет при этом роль дидактических материалов, созданных и используемых средствами новых технологий.
В следующем разделе описана использующая комбинированную (real + virtual) технологию реализация лабораторного практикума в рамках курса общей физики технического университета с использованием компьютерной обучающей среды, содержащей интерактивные модели, интерактивные тренажеры и задачи.
Опыт проведения комбинированного лабораторного практикума по электромагнетизму
Занятия велись на потоках специальности "Автоматизация технологических процессов" электротехнического факультета Пермского технического университета. Экспериментальная академическая группа на четырехчасовом лабораторном занятии делилась на две подгруппы (с отдельным преподавателем). Каждая подгруппа половину времени работала на реальном оборудовании в лаборатории электричества, другую половину за компьютерами. Для всех восьми лабораторных работ, выполняющихся в стандартном варианте практикума кафедры, были сформированы компьютерные составляющие "кейсов". Благодаря этому работа студентов на обеих частях занятия была тематически единой и сопоставимой по трудоемкости. В качестве программного обеспечения использовались объекты компьютерной среды «Ин-тер@ктивная физика» [5], разработанной Институтом инновационных технологий (ИИТ, г. Пермь) под методическим руководством автора.
Занятия в контрольной группе происходили без использования компьютеров. "Бескомпьютерные" часы занятий использовались для контроля работы студентов традиционными способами: защиты лабораторных работ в форме собеседования, проведения письменных проверочных работ по теории и выводу рабочих формул, тестирования, сдачи прилагающихся к каждой работе расчетных заданий (дававшихся на "бригаду" из 2-3 человек). Часть времени использовалась для разбора на доске ситуаций, характерных для расчетных задач, с целью их более успешного решения.
В экспериментальной группе использовались те же устные формы контроля (собеседование, прием расчетных заданий), проводившегося параллельно с выполнением работы на компьютерах. Так, помимо прочего, происходила интенсификация работы студентов. Студенты экспериментальной группы периодически анкетировались на предмет их морально-психологического состояния и понимания взаимосвязей и целевых взаимовлияний реальной и виртуальной составляющих занятий.
Ниже описаны виды и содержание деятельности студентов с выделением этих двух составляющих по каждой из поставленных в работе методических задач, проведено сравнение результатов обучения для экспериментальной и контрольной групп.
Работа "Изучение электронного осциллографа". Целью работы является знакомство с устройством прибора и некоторыми его возможностями по измерению характеристик электрических сигналов. Методические задачи, соответствующие этой цели, будем в дальнейшем называть "подцелями", чтобы не путать их с задачами в смысле заданий и упражнений, которые студенты решают в ходе работы. В рамках данной лабораторной работы рассматривается также ряд смежных вопросов, в частности, движение заряженной частицы в однородном электростатическом поле (ЭСП).
Содержание деятельности студентов, структурированное в соответствии с выделенными подцелями, видно из таблицы 1. Выделены две группы элементов деятельности: общих для экспериментальной и контрольной групп и дополнительных, осуществлявшихся студентами только экспериментальной группы. Вся деятельность,
обозначенная в правом столбце, основана на использовании виртуальных учебных объектов - интерактивных моделей, тренажеров, и компьютерных тестов. Она и соответствует виртуальной составляющей "кейса". Прокомментируем только не вполне очевидные пункты таблицы.
Таблица 1
Подцели лабораторной работы Содержание деятельности студентов
общее для контрольной и экспериментальной групп дополнительное только для экспериментальной группы
1. Знакомство с устройством электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) а) изучение текста методического руководства; б) решение задачи о движении заряженной частицы в однородном ЭСП (расчетное задание) в) работа с интерактивным плакатом "Устройство ЭЛТ"; г) тест "Устройство ЭЛТ"; д) работа с моделью "Движение заряженной частицы в однородном ЭСП"
2. Знакомство с назначением органов управления и разъемов электронного осциллографа (ЭО), выработка умений выполнения простых измерений а) изучение текста методического руководства; б) анализ калибровочного сигнала; в) измерение частоты внешнего сигнала, амплитудного и действующего напряжения г) работа с моделью "Электронный осциллограф"; д) работа с видеоинструкцией по измерениям на ЭО; е) работа с тренажером "Измерения с помощью ЭО"; ж) тест "Устройство ЭО и измерения с его помощью"
3. Повторение элементов темы "Переменный ток" школьного курса а) решение задачи на расчет действующего напряжения несинусоидального сигнала (расчетное задание) б) работа с моделью "Действующее напряжение переменного тока"
4. Повторение элементов темы "Сложение перпендикулярных колебаний" курса механики а) изучение двумерных колебаний на ЭО, уяснение связи вида фигур Лиссажу с соотношением частот и сдвигом фаз исходных колебаний б) работа с моделью "Сложение перпендикулярных колебаний на ЭО"; в) работа с репетитором "Фигуры Лиссажу"
(Репетитором здесь называется многовариантное или многошаговое задание, тренажер представляет собой комплекс тематически связанных репетиторов.)
На основе модели "Движение заряженной частицы в однородном ЭСП" (пункт 1д таблицы) проводился компьютерный эксперимент (исследование зависимости траектории от начальной скорости и угла влета частицы, модуля и направления вектора напряженности ЭСП, величины и знака заряда частицы, ее массы), способствующий лучшему уяснению закономерностей движения заряда и повышению готовности к решению задачи о таком движении (пункт 1б). Работа с этой моделью может выполняться как до, так и после проведения эксперимента на реальном оборудовании. Пункты 1в и 1г предпочтительно выполнять на предварительном этапе.
Модель "Электронный осциллограф" (пункт 2г) и связанные с ней виртуальные учебные объекты пунктов 2д и 2е также предпочтительно использовать до проведения эксперимента. Модель и тренажер имеют схожий интерфейс (рис. 1). Они позволяют установить оптимальные масштабы для отображения сигнала и выбрать удобное для выполнения измерений положение синусоиды на экране. Каждое задание тренажера предлагается решить в нескольких вариантах (от 3 до 8 в зависимости от успешности решения и числа использованных подсказок - реакций экспертной системы). В новом варианте генерируются амплитуда и частота сигнала, а также положение переключателей цены деления сетки экрана. Принципы построения таких тренажеров описаны, например, в статье [17].
Освоение на тренажере процедуры измерений дает значительную экономию времени при выполнении эксперимента на реальном оборудовании и, что еще важ-
нее, обеспечивает осмысленное выполнение всех операций и лучшее их освоение. Это, в свою очередь, экономит время и делает почти формальностью контроль соответствующих моментов во время собеседования при защите работы. Аналогичный эффект дает выполнение пунктов 4б и 4в таблицы 1.
Рис.1. Задание тренажера "Измерения с помощью электронного осциллографа"
Работа "Изучение затухающих электромагнитных колебаний в контуре" также предполагает использование осциллографа, поэтому говорить о ней удобно здесь, хотя она завершает обсуждаемый цикл работ. В комплект оборудования входит генератор затухающих электромагнитных колебаний, содержащий магазины резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, что позволяет дискретно изменять параметры контура. Анализируя осциллограммы, студенты получают экспериментальные зависимости от этих параметров для периода и частоты колебаний, а также для характеристик затухания (логарифмического декремента и коэффициента затухания, добротности) с целью сопоставления с теоретическими зависимостями. При "бескомпьютерном" варианте выполнения работы часто обнаруживается существенное, а то и полное несоответствие данных эксперимента и теории, вызванное некачественным проведением измерений. Соответственно, значительный объем измерений, вычислений и построение графиков приходится выполнять заново. Использование - как дополнения - компьютерных технологий позволяет избежать этого.
Упомянутая выше модель "Электронный осциллограф" путем настройки значений параметров позволяет получать картины затухающих колебаний и выявлять зависимости их характеристик от параметров контура. В состав тренажера "Измерения с помощью электронного осциллографа" входят задания на определение не только периода и частоты колебаний, но и характеристик затухания. Как в случае первой лабораторной работы, модель и тренажер позволяют надежно отработать действия, выполняемые при измерениях. В результате на этапе реального эксперимента качество измерений высокое, а затраты времени уменьшаются в несколько раз. При защите работы в ходе собеседования проблемы практически не возникают.
Работа "Исследование электростатических полей". В этой классической работе с помощью набора электродов и электропроводной бумаги моделируются ЭСП различной конфигурации (поля плоского и цилиндрического конденсаторов, поле точечного заряда и плоскости), исследуется их структура (строятся линии равного потенциала, а по ним - картина силовых линий). Экспериментальная часть сопровождается задачами расчета ЭСП на основе принципа суперпозиции для напряженности либо теоремы Гаусса, а также дифференциальной связи вектора напряженности и потенциала; по аналитическим зависимостям строятся графики. Содержание деятельности студентов в рамках "кейса" работы представлено в таблице 2.
Таблица 2
Подцели лабораторной работы Содержание деятельности студентов
общее для контрольной и экспериментальной групп дополнительное только для экспериментальной группы
1. Знакомство с методом моделирования применительно к ЭСП а) изучение текста методического руководства; б) физическое моделирование ЭСП в) компьютерное моделирование ЭСП; г) тест "Моделирование ЭСП"
2. Качественное исследование структуры полей различных систем зарядов а) построение линий равного потенциала; б) построение картины силовых линий в) работа с модельным конструктором полей точечных и распределенных зарядов; г) тест "Визуализация ЭСП"
3. Количественное исследование полей систем зарядов а) определение напряженности ЭСП для модели плоского конденсатора; б) решение задачи расчета полей напряженности и потенциала для системы концентрических зарядов (расчетное задание) в) работа с циклом репетиторов и тренажеров по расчету полей напряженности и потенциала систем распределенных зарядов; г) тест "Расчет ЭСП"
Используемый при выполнении пункта 2в конструктор полей систем зарядов позволяет (см. рис. 2):
• создавать разнообразные конфигурации модельных источников ЭСП (точечные заряды, однородно заряженные диэлектрические сферы, шары и сферические слои, бесконечные однородно заряженные плоскости и плоские слои) и изменять пространственные конфигурации, размеры и заряды тел;
• получать характеризующую поле в любой точке числовую информацию с помощью "зонда" (точечного заряда, привязанного к курсором мыши): по желанию пользователя рядом с "зондом" могут отображаться значения его потенциальной энергии, модуля действующей на него силы, значения потенциала и модуля напряженности поля, для векторных величин также изображается их направление;
• производить визуализацию распределения напряженности поля:
- с помощью ансамбля стрелок, изображающих векторы напряженности в узлах двумерной сетки (три типа сетки);
- силовых линий, которые могут быть проведены через указанные точки;
- графиков распределений компонент и модуля вектора напряженности вдоль "рассечения" поля (проводимого с помощью мыши отрезка);
• производить визуализацию распределения потенциала поля:
- областями различной интенсивности цвета (красного или синего в области соответственно положительных или отрицательных значений потенциала);
- с помощью линий равного потенциала, которые могут быть проведены через указанные точки (значение потенциала точки при ее выборе визуализируется);
- графиков распределений потенциала вдоль "рассечения" поля;
• устанавливать в произвольной точке поля созданной конфигурации точечный заряд и наблюдать за его движением (с возможностью построения траектории), отыскивать на плоскости точки устойчивого и неустойчивого равновесия (с возможностью сопоставлять их положение с распределением потенциала);
• редактировать и сохранять созданные конфигурации (информацию о типах объектов и наборах их объектов), прочитывать их для дальнейшего использования.
Рис.2. Визуализация электростатических полей в конструкторе
Возможности конструктора проиллюстрированы на рисунке 2: визуализация поля напряженности шарового слоя и график составляющей вектора напряженности вдоль "рассечения" (вверху слева); визуализация поля напряженности пары скрещенных разноименно заряженных плоских слоев с картиной силовых линий и числовая информация "зонда" (вверху справа); визуализация распределения потенциала в системе пяти точечных зарядов областями различной интенсивности цвета (внизу слева); визуализация распределения потенциала в той же системе с помощью линий равного потенциала, наложенных на картину поля напряженности (внизу справа).
В рамках выполнения "кейса" лабораторной работы студенты рассматривают по заданию преподавателя 3-4 конфигурации из числа заранее созданных стандартных (линии точечных зарядов, сфер или шаров, концентрические системы точечных зарядов и тел сферической симметрии, системы параллельных или непараллельных плоскостей и плоских слоев), производят визуализацию полей заданным способом, затем, опираясь на серии сопровождающих модели вопросов, анализируют особенности полей различных конфигураций и выявляют универсальные закономерности. После этого исследуется еще одна конфигурация, созданная самостоятельно в соответствии с расчетным заданием (пункт 3б таблицы 2). Благодаря этому студенты получают на качественном уровне представление о том, как должно выглядеть решение их задачи, могут сопоставлять с ним результат своих расчетов.
Отметим полезность не только уяснения связи между положением зарядов и их величиной с одной стороны и графиками характеристик полей с другой (физический аспект задачи), но анализа соответствия друг другу графиков напряженности и потенциала, связанных через производную по координате (математический аспект).
Успешному выполнению расчетных заданий способствует работа с циклом интерактивных тренажеров и репетиторов (пункт 3в таблицы 2), предназначенных для отработки навыков расчета напряженности и потенциала для систем точечных зарядов, плоскостей, сфер на основе принципа суперпозиции, теоремы Гаусса и дифференциальной связи вектора напряженности и потенциала, всего порядка 70 многовариантных заданий. Примеры таких заданий приведены на рисунках 3 и 4.
Рис. 3. Один из вариантов задания на построение вектора напряженности системы двух плоскостей на основе принципа суперпозиции
Рис. 4. Задачи на расчет напряженности и потенциала ЭСП систем зарядов
Работа "Определение ЭДС источника тока компенсационным методом". Измерения выполняются с помощью потенциометра, устройство которого скрыто, учащийся имеет дело с "черным ящиком". Для уяснения принципа действия прибора нужно "смотреть внутрь", чтобы понять закономерности его работы приходится рассмотреть значительное число смежных вопросов по теме "Законы электрического тока". Содержание деятельности студентов дано в таблице 3.
Таблица 3
Подцели лабораторной работы Содержание деятельности студентов
общее для контрольной и экспериментальной групп дополнительное только для экспериментальной группы
1. Знакомство с компенсационным методом измерения ЭДС а) изучение текста методического руководства; б) выполнение измерений ЭДС в) тест "Компенсационный метод"
2. Закрепление умений расчета разветвленных цепей на основе правил Кирхгофа а) решение задачи расчета разветвленных цепей (расчетное задание) б) работа с тренажером "Правила Кирхгофа"
3. Уяснение необходимости оценки влияния конечного собственного сопротивления измерительных приборов а) работа с моделью "Две схемы подключения измерительных приборов"; б) работа с тренажером "Электрические измерения"
4. Повторение и закрепление методов измерения электросопротивления а) работа с моделью "Мост Уитстона"; б) тест "Измерение электросопротивления"
Тренажер "Правила Кирхгофа" (рис. 5) содержит 14 многовариантных заданий, предназначенных для формирования умения записи соответствующих уравнений,
Чь Задание 7
Запишите для узла О первое правила Кирхгофа
формулу
Рис. 5. Задание тренажера "Правила Кирхгофа"
(а также закона Ома для неоднородного участка цепи) и для выработки понимания правил, по которым составляется полная система уравнений для расчета разветвленных цепей (сколько нужно взять уравнений 1-го и 2-го правила Кирхгофа и для каких элементов цепи). В заданиях генерируется выбор направлений токов и полярность включения источников, а также случайным образом выбирается узел или контур одной из базовых схем. Выполнение заданий тренажера способствует лучшему пониманию компенсационного метода измерения ЭДС, успешному решению расчетного задания (пункт 2а) и прохождению собеседования при защите работы.
В связи с обсуждением методов измерения ЭДС естественным будет разговор о методах измерения электросопротивления. Поэтому студентам предлагается работа еще с двумя моделями и тренажером.
Модель "Две схемы подключения измерительных приборов" (рис. 6) позволяет установить, какая из схем и при каких условиях обеспечивает меньшую погрешность при измерении сопротивления резистора. Для получения убедительных результатов следует позаботиться о правильном выборе шага изменения сопротивления. Обработку данных (заполнение таблицы и построение графиков зависимости расчетных значений сопротивления от истинного значения) удобно выполнять в Microsoft Excel.
Две схемы для измерения сопротивления проводника
Схема 1
1-1
R ЕЛИ ад.
Е, г
£ ЕПН ед.
Схема 2
Идеальная цепь
•Ш
8, г
Е, Г
ш
Рис.6. Интерфейс модели и пример представления обработки результатов
В случае, если студенты затрудняются в формулировке вывода и объяснении результатов модельного эксперимента, им предлагается работа с многошаговыми заданиями из состава тренажера "Электрические измерения". Первые пять шагов (которые повторяются трижды - для малых, умеренных и больших значений сопротивления резистора) представляют собой этапы расчета погрешности, вносимой приборами. Шестой шаг - это фиксация зависимости вычисленной погрешности от величины сопротивления, то есть формулировка закономерности, по сути, вывод по работе. Седьмой шаг заключается в составлении объяснения установленной закономерности. Заданий такого рода два, по числу измерительных схем. На рисунке 7 представлены этапы выполнения одного из них, второе задание аналогично.
Измерения сопротивления неидеальными приборами. Схема 1
ШН т ОРьиса'ТЧ РМ/№ЧП -ТО улиичнм;
Пр.1 таган схеме включения
показывает точное значение
нв резисторе, а
I в гиралпепьн ом соединении
резистора н вольтметра. Поатоыу чей значительнее сшиби.1
с олротиег ение резистора, '
ИСПОЛьМВвЛЪ
1 . Знамнг такую схему включении целесообразно сопротивления* резистора.
вольтметр амперметр силы тока I напряжения 1
больше меньше суммарное Г суммарную 1 нагрч- «ни» [ (илу ТОМ I
больших малых 1
Рис. 7. Многошаговое задание из состава тренажера "Электрические измерения"
Еще одна модель, работа с которой может быть предложена студентам (обычно в случае, если при собеседовании выявляется недостаточное понимание закономерностей распределения токов и потенциалов в электрических цепях) - "Мост Уитстона". Особенность модели в том, что проведение компьютерного эксперимента с последующим анализом найденных комбинаций числовых значений для сопротивлений резисторов в плечах моста позволяет сформулировать условие баланса не качественно, а количественно, в виде формулы. После этого обнаруженная закономерность, имеющая вид пропорции, может быть легко получена аналитически, в том числе с помощью правил Кирхгофа.
Качественная проработка описанного материала способствует успешному выполнению следующей лабораторной работы "Градуировка термопары", в которой также используется компенсационный метод.
Работа "Определение магнитной индукции в межполюсном зазоре прибора магнитоэлектрической системы". Особенностью работы является лаконичный и несложный в обработке эксперимент (определение зависимости угла поворота рамки прибора от силы тока в ней) при весьма серьезном физическом содержании рассматривающихся эффектов и использовании недавно введенного понятия магнитного момента. Поведение магнитного диполя (свободного или закрепленного на оси) во внешнем поле (однородном и неоднородном) является традиционно сложным вопросом, при этом оно важно для понимания физики диэлектриков и магнетиков.
Для понимания принципа действия прибора важно уяснить, в частности, с чем связаны отличия во вращении контура с током в радиальном поле и в разобранном на лекции случае однородного поля, в чем сходство и отличие в направлении вектора силы Ампера, действующей на подвижные плечи рамки. Для лучшего усвоения материала целесообразно включить в "кейс" лабораторной работы компьютерные модели, в которых рассматриваются такие и содержательно близкие ситуации, в том числе нахождение условий равновесия контура в комбинированном поле (магнитное + гравитационное) и рассмотрение колебаний контура вблизи этого положения. Эти же ситуации являются предметом расчетных задач о магнитном диполе, например, из задачников [18-19]. Содержание деятельности студентов при выполнении "кейса" работы видно из таблицы 4.
Таблица 4
Подцели лабораторной работы Содержание деятельности студентов
общее для контрольной и экспериментальной групп дополнительное только для экспериментальной группы
1. Знакомство с принципом действия измерительного прибора магнитоэлектрической системы а) изучение текста методического руководства; б) исследование зависимости угла поворота рамки прибора от силы тока в ней и определение величины индукции магнитного поля в межполюсном зазоре прибора в) работа с моделью "Контур с током в однородном и радиальном магнитных полях"; г) тест "Принцип действия прибора магнитоэлектрической системы"
2. Усвоение понятия магнитного момента и его поведения во внешних полях различной структуры а) решение задачи о поведении контура с током во внешнем магнитном поле (расчетное задание) б) работа с циклом моделей "Поведение диполя во внешнем поле" в) работа с тренажером "Сила Ампера" и репетитором "Контур с током во внешнем поле"
В цикле 3D-моделей (пункт 2б) сначала рассматривается случай электрического диполя, поведение которого во внешнем ЭСП представляется студентам более естественным, поскольку кулоновское поле является центральным, а вектор электрического момента привязан к продольной оси диполя. Вторая модель позволяет изучить поведение магнитной стрелки во внешнем магнитном поле. Здесь направление магнитных сил и привязка дипольного момента к объекту выглядит так же, как в электрическом случае. Третий шаг - рассмотрение контура с током в магнитном поле; с этой системой и бывают основные сложности. Учащемуся важно почувствовать преемственность систем, их аналогичность, при появлении существенных отличий, поскольку векторы силы Ампера и магнитного момента перпендикулярны току. Четвертый шаг - контур с током в комбинированном внешнем поле (магнитное + гравитационное). Все четыре компьютерных эксперимента (скриншоты моделей приведены в работе [20], с. 473) позволяют, во-первых, наблюдать тенденцию движения системы к равновесному состоянию, а во-вторых, исследовать зависимость периода колебаний диполя вблизи положения равновесия от параметров диполя (например, сечения контура с током и величины этого тока, а также массы контура) и интенсивности поля. Работа с этими моделями полезна как сама по себе, так и для решения задач, обозначенных в пункте 2а таблицы 4. Наконец, назначение модели пункта 1в -наглядно показать различия в поведении контура с током в однородном и радиальном магнитном полях, что способствует лучшему пониманию устройства прибора.
Использование в лабораторном практикуме описанного цикла моделей в одном "кейсе" с реальным экспериментом позволило достичь практически стопроцентного усвоения студентами первого курса сложного материала - смысла дипольного момента, процедур определения направления его вектора, поведения диполя в однородном или неоднородном внешнем поле, понятий устойчивого и неустойчивого равновесия диполя во внешнем поле, характера зависимости частоты колебаний от параметров системы (внешнего поля, момента инерции диполя, дипольного момента).
Работа "Исследование магнитного поля кругового тока" является по своему смыслу аналогом электрической работы, рассмотренной выше, а содержание деятельности студентов можно отобразить в таблице, схожей с таблицей 2. Задачи к экспериментальной части имеют своим содержанием расчет магнитных полей на основе принципа суперпозиции либо закона полного тока [18]. Успешному решению этих задач помогает проведение модельных экспериментов и интерактивные тренинги (структура магнитных полей токов различной конфигурации, принцип суперпозиции полей). Отличие от электрического аналога в том, что исследуемое магнитное поле создается в эксперименте переменным током, текущим в большой катушке, а "зонд", малая катушка, измеряет это переменное магнитное поле благодаря явлению электромагнитной индукции. Соответственно, дополнительная цель "кейса" - развитие представлений и способности рассчитывать это явление, чему вновь способствуют интерактивные модели и тренажеры (проявление закона Фарадея в различных ситуациях, величина и направление индукционного тока).
Работа "Определение индукции магнитного поля Земли с помощью электронно-лучевой трубки" основана на измерении параметров траектории электронов, движущихся внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в магнитном поле Земли. Скорость движения электронов определяется ускоряющим напряжением в ЭЛТ. Таким образом, работа посвящена изучению движению заряженных частиц в сопряженных или комбинированных электрическом и магнитном полях. Цикл расчетных задач такого содержания имеются в задачнике [18]. Подготовка к решению задач в рамках "кейса" состоит в выполнении трех модельных экспериментов, позволяющих исследовать зависимости траектории частицы от варианта сопряжения по-
лей, взаимного направления векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей, соотношения их модулей, а также массы и заряда частиц (рис. 8).
Рис. 8. Модели и репетитор о движении заряда в сопряженных и скрещенных полях
В первой модели в двух смежных полупространственных областях задаются электрическое поле, силовые линии которого перпендикулярны границе раздела областей, и магнитное, линии которого параллельны ей (рис. 8, вверху слева). Эта ситуация наиболее близка к имеющей место в реальном эксперименте. Задача позволяет обсудить направления действующих на частицу сил, типы возникающих на разных участках траектории ускорений (тангенциального или нормального), характер движения и характер изменения кинетической и потенциальной энергии. Разбору этих вопросов посвящен встроенный репетитор (рис. 8, вверху справа). Во второй модели также в двух смежных полупространственных областях задаются магнитные поля, векторы индукции которых коллинеарны и параллельны границе раздела областей. Траектория заряда в этом случае состоит из полуокружностей и может иметь петлеобразный вид (рис. 8, внизу слева). В третьей модели электрическое и магнитное поля скрещены под прямым углом, заряд совершает дрейфовое движение в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля. Возникает суперпозиция равномерного движения по окружности и равномерного дрейфа в направлении, перпендикулярном силовым линиям электрического поля.
Результаты проведения комбинированного реально-виртуального лабораторного практикума
Все формы контроля, как текущего, так и итогового, фиксируют более высокий уровень обученности студентов экспериментальной группы потока. Важно прежде всего то, что их знания более действенны в смысле пригодности для анализа ситуаций, решения задач. По-видимому, это позволяет говорить о лучшей сформиро-ванности компетенций. Заметно надежнее у этой группы происходит усвоение новых понятий. Более напряженный график работы стимулирует повышение дисциплины, своевременную сдачу материала (по крайней мере, для достаточно сильных и мотивированных студентов). Итоговый контроль на экзамене давал в экспериментальной группе в разные годы на 20-30% больше хороших и отличных оценок.
Следует признать, впрочем, что положительный результат достигается ценой существенно более высокой интенсивности работы как студентов (что, скорее всего, хорошо), так и преподавателя (что может оцениваться неоднозначно). Однако есть основания утверждать, что дополнительная технологичность обучения также играет свою положительную роль. Итоговое собеседование после выполнения всех видов работы происходит быстрее, легче и доставляет больше положительных эмоций и студентам, и преподавателю.
Некоторые элементы деятельности студентов экспериментальных групп порой не вписываются в плановые часы аудиторных занятий и занимают также - с использованием компьютерного класса - часть часов самостоятельной работы. (Использование программного обеспечения студентами дома - локально или по сети -было ограничено имущественными правами ИИТ). Полагаем, что такое решение проблемы нехватки времени - скорее достоинство, чем недостаток в условиях, когда влияние преподавателя на качество и объем самостоятельной работы незначительны.
Особенностям организации самостоятельной работы (еще более интенсивной, требующей более значительных временных затрат и связанных прежде всего с обучением решению задач) и применяемой методике на занятиях в педагогическом университете посвящена работа [21].
Заметим, что в таблицах 1-4 нумерация "подцелей" связана не с последовательностью их достижения, а с соотносительной важностью. Последовательность же чаще оказывается обратная, поскольку "подцели" с большими номерами обычно играют подчиненную роль промежуточных, подготовительных для главной.
Компьютерные модели и развитие эмпирического мышления
В интересной и эмоциональной статье [22] говорится, что компьютерная модель не является полноценной заменой реальных объектов и явлений и потому вряд ли может быть полезной для формирования эмпирического мышления учащихся. Насколько несомненна первая часть этого утверждения, настолько спорна вторая. Думается, что говорить о формировании элементов эмпирического мышления и навыков проведения эксперимента при помощи интерактивных компьютерных моделей и тренажеров можно, хотя, разумеется, ведущая роль в этом процессе принадлежит реальному лабораторному эксперименту.
Традиционно в эмпирическом исследовании выделяют [23] следующие стадии (связанные, в том числе, и с эмпирическим мышлением):
1) наблюдение и эксперимент - средство получения данных опыта;
2) анализ и синтез результатов - средство выявления связей и систематизации данных;
3) обобщение данных опыта, формирование новых эмпирических понятий и законов (с последующей проверкой), позволяющих в дальнейшем дать объяснение изучаемому феномену и прогнозировать поведение системы.
Вторая и третья стадии исследования осуществлялись бы в модельном эксперименте совершенно полноценно, если бы не проблема с тем, что следует анализировать и обобщать - с получением самих экспериментальных данных. Больше всего страдает при модельном эксперименте первая стадия: обедняется чувственная сторона процесса познания, разрывается связь с объективной реальностью. Эти потери практически невосполнимы на этапах проектирования (сборки) экспериментальной установки и собственно выполнения наблюдений и измерений. Однако первая стадия включает в себя также этапы формулирования проблемы исследования, выдвижения и обоснования гипотезы, на основе которой проблему можно решить, определение цели эксперимента и порядка его проведения. На последнем остановимся подробнее.
Одним из признаков сформированности эмпирического мышления является умение продумывать тактику проведения эксперимента, которая бы полно, но экономно в плане потребных усилий позволяла решить проблему исследования. И в этом смысле работа с физической установкой и с адекватной ей в рамках поставленной задачи компьютерной моделью схожа и практически в одинаковой степени полезна. В обоих случаях наиболее важными являются: а) мыслительные процессы, происходящие в мозгу учащегося, и 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 стенд виртуальный, но для изучения ряда вопросов, в том числе тактики проведения исследования, это может быть несущественным.
Самостоятельное планирование эксперимента требует определенного опыта такого рода деятельности. Учащийся, не обладающий навыками проведения экспериментального исследования (не важно, физического или компьютерного), часто даже не понимает, что, например, начальные условия движения тела нельзя менять хаотически, нужно продумать определенную систему.
На этапе знакомства с такой формой учебной деятельности как проведение модельного эксперимента можно руководствоваться, как и в реальном эксперименте, инструкцией. Второй уровень овладения технологией этой деятельности характеризуется способностью учащегося выполнить работу (и довести ее до вывода) в результате проблемно-организационной беседы, которую преподаватель проводит в начале аудиторного занятия. Наконец, уровень практически самостоятельного исследования связан с умением выполнять эксперимент в соответствии с обобщенным планом ра-
боты с экспериментальной установкой или интерактивной моделью (см., например, [24], Приложение 2).
Заметим, что навыки математического описания полученных экспериментальных зависимостей по данным таблиц или графикам могут отрабатываться при помощи специальных компьютерных тренажеров. То же касается умения проектировать структуру таблиц данных, что является элементом культуры проведения эксперимента. Поскольку с точки зрения физики это, в основном, технический вопрос, операциональный навык, он может отрабатываться в рамках компьютерного тренажера не только в ходе физического эксперимента, но при работе с моделью и даже с видеозаписью эксперимента или анимацией. Тренажеры, как обсуждалось выше, могут быть полезны при освоении процедур снятия показаний измерительных приборов и оценки связанных с ними погрешностей, записи результатов эксперимента в виде доверительного интервала и так далее.
По нашим наблюдениям, использование компьютера эффективно именно при отработке элементарных навыков. Однако необходимы этапы обучения (перед компьютерным тренажом или и после него), на которых все умения и навыки объединены в «сплошном» процессе проведения эксперимента, причем здесь эксперимент должен уже быть не виртуальным, а реальным.
Разумеется, реальный эксперимент нельзя заменять в учебном процессе компьютерными технологиями, но при наличии продуманной методики последние могут служить дополнительным инструментом, средством обучающего воздействия, которое позволяет экономить время и усилия преподавателя, отрабатывать базовые умения и навыки, в том числе связанные с экспериментальной деятельностью, и даже формировать отдельные элементы эмпирического мышления.
Возможные формы использования интерактивных компьютерных технологий в рамках лабораторного практикума
Таким образом, в рамках лабораторного практикума возможно значительное число форм "симбиоза" классических и интерактивных компьютерных технологий. На основе последних могут быть реализованы:
• виртуальные методические руководства, поясняющие или демонстрирующие порядок проведения измерений и вычислений (интерактивность на уровне гипертекста, гиперграфики, zoom-технологий типа интерактивного плаката и в сопровождении контролирующих понимание материала вопросов);
• модели, поясняющие устройство и принцип действия приборов и устройств, обеспечивающие отработку экспериментальных умений и методик выполнения;
• тренажеры процедур, выполняемых при выполнении лабораторной работы - выполнение измерений с помощью приборов, вычислений, сборка лабораторных установок (например, электрических и оптических схем);
• модельные аналоги реального эксперимента - особого вида тренажеры, поддерживающие выполнение аналогичных действий в идеализированных условиях, возможно, с последующим сопоставлением реального и модельного результатов, анализом сходства и отличий; при этом модель не обеспечивает расширения свойств объекта исследования;
• модельный эксперимент, расширяющий и углубляющий реальный эксперимент, с модифицированным объектом исследования:
- модельный аналог реального, но с визуализацией невидимых элементов или абстрактных понятий;
- с изменением тех же параметров, что в реальной работе, но в более широком диапазоне значений;
- с изменением недоступных для изменения реальной установке параметров;
- с возможностью создания и исследования новых конфигураций, внесением дополнительных параметров;
• модельный эксперимент, расширяющий и углубляющий реальный эксперимент путем замены объекта или предмета исследования:
- углубленное изучение эффектов, понятий, зависимостей от различных параметров или исследование в новых условиях, обнаружение дополнительных свойств и закономерностей;
- изучение смежных эффектов, изменение цели исследования;
• имитация исторического эксперимента, желательно с присущим ему антуражем;
• удаленный доступ к автоматизированным лабораторным установкам;
• отработка процедуры выдвижения и проверки гипотез эксперимента;
• анализ результатов, формулирование найденных закономерностей с объяснением их причин;
• обоснование и формулирование выводов;
• тренаж знаний и умений, способствующие решению расчетных задач по материалу лабораторной работы;
• предварительное или итоговое тестирование.
Оценка целесообразности введения в лабораторный практикум тех или иных вариантов использования компьютерных технологий и принятие решения о возможности организации соответствующих занятий, разумеется, остается за преподавателем в каждом конкретном случае, с учетом формы обучения, специфики уровня и направления подготовки, объема часов в учебном плане, особенностей учебного заведения и так далее. Критерием целесообразности любых новаций является, естественно, достижение максимальной эффективности обучения. Отметим еще раз, что, к примеру, чистая имитация реальных работ в виртуальной среде в общем случае не слишком плодотворна, но если речь идет об этапе подготовки к выполнению реальной работы, особенно при заочной / дистанционной форме обучения, такая деятельность может оцениваться как целесообразная.
Заключение
Использование для сопровождения лабораторного практикума электронных учебных материалов, в том числе основанных на интерактивных компьютерных технологиях, не несет в себе антагонизма по отношению к реальному эксперименту. Наоборот, новые технологии способны помочь более полной реализации его обучающего потенциала и одновременно разнообразить формы учебной деятельности.
Компьютерные технологии (КТ) поддерживают и облегчают более полное воплощение дидактических принципов систематичности, последовательности, доступности, активности, наглядности. Что особенно важно - активности, поскольку дают возможность индивидуализации обучения, и последовательности, поскольку позволяют перекидывать смысловые мостики между элементами знания, добываемого в эксперименте, между этапами экспериментального исследования. Наконец, КТ развивают практически все методы обучения и создают их новые модификации.
Программное обеспечение может играть в лабораторном практикуме роль эффективных дидактических материалов, созданных и используемых средствами новых технологий.
Вопрос об условиях эффективного использования компьютерных технологий требует дальнейшей разработки. Но очевидно, что это направление открывает широкие возможности модернизации традиционного лабораторного практикума.
Литература
1. Скворцов А.И., Фишман А.И. Видеозадачник: от наблюдения к измерению // Физическое образование в вузах. 2004. Т. 10. № 4. С. 98-105.
2. Абутин М.В., Колинько К.П., Никольский Д.Ю., Чирцов А.С. Серия электронных сборников "Физика: модель, эксперимент, реальность". Использование возможностей мультимедиа и информационных технологий для поддержки преподавания электродинамики // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 4: Физика. Химия. 2005. № 2. С. 123-133.
3. Монахова С.В., Монахова Е.В., Монахов В.В., Кожедуб А.В. и др. Электронные диски "Виртуальная лаборатория по физике для школьников" и "Виртуальная лаборатория по физике-2" // Физика в системе современного образования: материалы XII Международной научной конференции. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013. Т. 2. С.223-226.
4. Физика, 10-11 кл. Подготовка к ЕГЭ [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Фе-дер. агентство по образованию, ГУ РЦ ЭМТО, ЗАО «1С»; под ред. Н.К. Ханна-нова. - Электрон. дан. (445Мб, 500 МБ). - М.: ЗАО «1С», ООО «1С-Паблишинг», Изд-во «Просвещение», 2004. - 2 электрон. опт. диска (CD-ROM). - Загл. с экрана. - Систем. требования: Pentium III 700МГц; HDD 170 Мб; RAM 128 Мб; 800х600;Windows 98SE/Me/2000/XP. - (Серия «1С: Школа»).
5. Интер@ктивная физика. Система активных обучающих сред для средней и высшей школы. [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Д.В. Баяндин, Н.Н. Медведева, О.И. Мухин [и др.]. - ООО ИИТ. - Электрон. дан. (7,3Гб, 7,9 ГБ). - Пермь: ООО ИИТ, 2012. - 2 электрон. опт. диск (DVD-ROM). Систем. требования: Pentium 1.8 ГГц, HDD 8 Гб; RAM 2 Гб, ОС: Windows 2000/XP/Vista/7/8.
6. Толстик А.М. Роль компьютерного эксперимента в физическом образовании // Физическое образование в вузах. 2002. Т. 8. № 2. С. 94-102.
7. Толстик А.М. Некоторые методические вопросы применения компьютерного эксперимента в физическом образовании // Физическое образование в вузах. 2006. Т. 12. № 2. С. 76-84.
8. Авакянц Л.П., Боков П.Ю., Иванцов А.А., Митин И.В., Китов И.А., Салецкий А.М., Червяков А.В. Автоматизированная система физического эксперимента в учебном процессе // Физическое образование в вузах. 2007. Т. 13. № 3. С. 110-118.
9. Ханнанов Н.К., Жилин Д.М., Хоменко С.В., Цуцких А.Ю., Сазонов М.М., Пова-ляев О.А. Проблемы создания школьного компьютеризированного практикума по физике и возможные пути их решения // Физическое образование в вузах. 2009. Т. 15. № 1. С. 100-113.
10. Казакова Е.Л., Назаров А.И. Методические аспекты использования компьютерных технологий в лабораторном физическом практикуме // Физическое образование в вузах. 2009. Т. 15. № 3. С. 86-94.
11. Карелин Б.В., Кожевников А.А., Пащенко М.Г. Применение современных технологий для модернизации лабораторного практикума по волновой оптике // Физическое образование в вузах. 2014. Т. 20, № 3. С. 50-53.
12. Марек В.П., Чирцов А.С. Разработка мультимедийных описаний для нового лабораторного практикума по физике // Физика в системе современного образования: материалы XII Международной научной конференции. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013. Т. 2. С.217-220.
13. Морозов В.В. Применение интерактивных электронных технических руководств в образовательных технологиях // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). 2015. Т.18. №1. С.496-504.
14. Спиридонова Л.В. Компьютеризация лабораторного практикума по физике // Физика в системе современного образования: материалы XII Международной научной конференции. Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2013. Т. 2. С.233-236.
15. Рыбин Б.С., Рыбина О.Б., Сергеева А.Е. Компьютерные расчетно-графические задания на основе лабораторных работ по физике // Физическое образование в вузах. 2013. Т. 19. № 2. С. 83-94.
16. Кудря А.П., Кунаков В.С., Наследников Ю.М., Стибаев А.Г. Дидактические особенности применения конструктивно-теоретического моделирования электрических полей на основе виртуального эксперимента // Физическое образование в вузах. 2013. Т. 19. № 2. С. 123-130.
17. Баяндин Д. В., Медведева Н. Н., Мухин О. И. Управление учебной деятельностью и ее мониторинг на основе тренинговой технологии обучения
// Образовательные технологии и общество. 2012. Т. 15. №1. С. 505524. http://ifets.ieee.org/russian/depositorv/v15 ¡1 /pdl78.pdF
18. Задачи по физике: Учеб. пособие. Под ред. О.Я.Савченко. М.: Наука, 1988. 416 с.
19. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. М.: Физматлит, 2003. 670 с.
20. Баяндин Д. В. Мультиплетная структура виртуальной среды обучения и техноло-гизация учебного процесса // Образовательные технологии и общество. 2013.
Т. 16. № 3. С. 465-488. http://ifets.ieee.org/russian/depositorv/v16 i3ZpdfZ4.pdf
21. Баяндин Д.В. Методика и организация учебного процесса при обучении физике на нефизических специальностях вуза в условиях ФГОС-3 // Вестник Череповецкого государственного университета. 2013. Т. 2. № 2 (48). С. 84-87. http://elibrarv.ru/download/59992959.pdf
22. Кюршунов А. С. Дидактические особенности разработки интерактивных компьютерных моделей // Информатика и образование, 2005. № 1. С. 78-81.
23. Мостепаненко А. М. Методологические и философские проблемы современной физики. Л.: ЛГУ, 1977. 168 с.
24. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: методическое пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 655 с.
