Игровые технологии обучения на занятиях по решнию физических задач Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

ЭЛЕКТРОННЫЕ УЧЕБНЫЕ РЕСУРСЫ: РАЗРАБОТКА И МЕТОДИКА ПРИМЕНЕНИЯ В ОБУЧЕНИИ

УДК 53 (07) ББК В3р

Е.В. Оспенникова, Н.А. Оспенников, Д.М. Капись

ИГРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ НА ЗАНЯТИЯХ ПО РЕШНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Обсуждается проблема применения игровых технологий обучения школьников решению физических задач. Рассматриваются возможности виртуальной среды для организации игровой учебной деятельности. Дан анализ представленных в открытом доступе отечественных и зарубежных игровых ресурсов по физике. Обоснована необходимость пополнения современной базы ресурсов этого вида, в том числе раздела компьютерных игр для учебных занятий по решению физических задач. Представлена разработанная авторами статьи дидактическая игра «Гольф». Игровая модель ресурса реализована в режиме 30-симуляции в среде Unity. Содержание учебных заданий, динамический игровой видеоряд, интерактивный характер взаимодействия участников с игровыми объектами и соревновательный эффект игры направлены на закрепление и развитие ранее приобретенных учащимся знаний, умений и навыков в решении физических задач по теме «Кинематика».

Ключевые слова: обучение физике, решение физических задач, игровые технологии обучения, виртуальная игровая среда, разработка цифровых игровых учебных ресурсов по физике.

Решение задач является одним из важных способов овладения учащимися научным знанием и формирования у них познавательных умений. Этот вид деятельности способствует развитию мышления и творческих способностей обучаемых, оказывает влияние на становление у них интереса к изучению физики.

К настоящему времени накоплена весьма обширная система научно-методических знаний и эффективных педагогических практик обучения учащихся решению задач по физике. Это служит достаточным основанием для осмысления и переноса накопленного педагогического опыта в новую информационно-образовательную среду, насыщенную виртуальными учебными объектами и компьютерными технологиями обучения.

Реализация продуктивных технологий обучения учащихся решению физических задач средствами виртуальной информационной среды - насущная проблема современной методической науки и педагогической практики. Работы, посвященные поиску путей решения этой проблемы, уже представлены в педагогической печати (Д.В.Баяндин, М.Д. Даммер, В.А. Извозчиков, А.С. Кондратьев, В.В. Лаптев, А.А. Оспенников, Е.В. Оспенникова, В.Г. Петросян,

© Оспенникова Е.В., Оспенников Н.А., Капись Д.А., 2017

Л.В. Петросян, И.Р. Перепеча, С.Е. Попов, Л.А. Прояненкова, А.В. Смирнов, М.И. Старовиков, Д.Э. Темнов, А.О. Чефранова и др.). Набирает темп процесс накопления цифровых ресурсов, предназначенных для поддержки учебного процесса по решению физических задач. Это ресурсы на CD и ресурсы глобальной сети.

Цифровые пособия на CD для средней школы, распространяемые на отечественном рынке, содержат большое количество учебных задач. Практика разработки таких ресурсов насчитывает более двух десятилетий. В последние годы меняется в лучшую сторону качество этих ресурсов. Обновился видовой состав задач, в частности, увеличилось число задач разного уровня сложности (задач-упражнений, типовых, нестандартных), уделяется больше внимания контекстным физическим задачам и задачам-проектам для учебного исследования. Растет разнообразие медиаформатов представления задачных ситуаций. Задействован широкий спектр виртуальных объектов (рисунков видеороликов, анимации, моделей, тренажеров и пр.), которые могут применяться не только для предъявления учащимся задачных ситуаций, но и для поддержки процесса решения задачи, а также для проверки полученного результата. Совершенствуются компьютерные технологии формирования у учащихся умений и навыков в решении задач: возросло разнообразие интерактивных упражнений для отработки отдельных операций, необходимых для решения задач различных видов; разработаны оригинальные тренажеры для освоения основных действий, из которых складывается решение физической задачи; обновлена и расширена справочная система, в которой приведены образцы решений задач различной сложности; появились интерактивные учебные тесты, предназначенные для самоконтроля учащимися уровня сформированности их умений и навыков в решении задач.

Кроме ресурсов на CD создана и развивается интернет-база цифровых материалов по решению задач. Существует целая сеть образовательных порталов и сайтов (федеральных, региональных, краевых и персональных), на которых представлены: сборники задач различных видов, цифровые решебники и справочники, инструментальные программы для решения задач, тренажеры и тесты, видеоуроки решения задач по различным учебным темам, дистанционные школы (курсы) для подготовке учащихся к ЕГЭ, практикумы для абитуриентов, материалы к олимпиадам по физике, материалы для учителей физики по методике обучения учащихся решению задач и др. Достаточно развитая цифровая ресурсная база создает все необходимые условия для существенного обновления практики организации учебного процесса по решению физических задач с целью повышения его эффективности.

Назначение и роль задачи в обучении определяется ее сущностью как педагогического средства. В соответствии с концепцией А.Н. Леонтьева задача рассматривается как компонент деятельности субъекта (относительно самостоятельное образование в структуре этой деятельности): « ... цель действия, заданная в определенных условиях» [7]. В более полной трактов-ке суть данного понятия определяется следующим образом: «Задача есть результат отражения в сознании субъекта ситуации жизнедеятельности, требующей от него умственных и практических действий, направленных на ее преобразование с учетом актуальных для субъекта целей и объективно заданных (внутренних, внешних) условий этого преобразования» [8, с. 481]. Отметим, что задачные ситуации могут фиксироваться не только в индивидуальном, но и в общественном сознании. Объективированная человеком и представленная на вспомогательном

носителе задача становится достоянием общества и может быть как актуальной, так и неактуальной для социума.

Учебная физическая задача - это задача, для решения которой используются знания основ физической науки и применяются соответствующие данной науке методы познания. Учебный характер задачи определяется ориентацией ее содержания и методов решения на овладение учащи -мися системой предметных и метапредметных знаний, умений и навыков (ЗУН), а также развитие системы психологических свойств (в частности, способов умственных действий - СУД) и качеств личности обучаемого [8].

Ниже приведены образовательные функции учебной задачи:

- обучающие:

• усвоение знаний (о фактах, понятиях, законах, теориях, способах деятельности);

• совершенствование качества знаний (глубины, прочности, системности и пр.);

• осмысление междисциплинарных связей различных областей науки и практики;

• освоение методов естественнонаучного познания;

• формирование познавательных и практических умений;

- развивающие:

• совершенствование всей системы познавательных процессов (внимания, восприятия, представления, воображения, мышления, памяти, речи);

• формирование готовности к творческой деятельности;

- воспитательные:

• формирование научного мировоззрения и естественнонаучного стиля мышления;

• становление социально ценных мотивов учения (в частности познавательного интереса);

• формирование самостоятельности личности в учении;

• воспитание волевых и нравственных качеств личности;

• содействие становлению общей культуры обучаемого и его готовности к применению знаний в решении различных задач жизнедеятельности.

Одним из важных условий реализации широких образовательных возможностей, заложенных в деятельность по решению задач, является их необходимое и достаточное разнообразие. Классификации учебных задач приведены в работах [8, 10]. В основе построения данных классификаций лежат представления о разнообразии видов учебной деятельности, включая деятельность учащихся в виртуальной образовательной среде. Авторы выделяют более 15 оснований классификации. По содержанию деятельности различают: научные задачи (для решения совместно с учителем, научным консультантом: концепция В.В. Майера); учебные задачи и игровые учебные задачи.

В рамках настоящей статьи рассматриваются вопросы разработки и применения игровых ситуаций в решении физических задач.

Игровые задачи являются достаточно эффективным средством обучения. Разработка игр (выдвижение идеи, подготовка сценария, производство игровых объектов) на материале учебных задач достаточно очевидная и весьма результативная методическая деятельность, поскольку практически любая игровая ситуация связана с решением человеком тех или иных задач.

Игра - это разрешение какой-либо ситуации жизнедеятельности человека в условно измененной среде. О содержании вносимых изменений человек договаривается с участниками

игры или сам с собой. Изменения носят как идеальный, так и материальный характер. Материальные изменения связываются с использованием специальных игровых объектов. Законы взаимодействия индивида с игровыми объектами независимо от среды (природа, «вторая» природа, книга, аудио- и видео, виртуальная среда), к которой они принадлежат, носят общий характер.

Игровая деятельность обязательно имеет в качестве своего результата ярко выраженный комплексный образовательный эффект: обучение, развитие и воспитание. Приобретение в игре нового опыта (обучение) - важная ее цель, но, кроме этого, игра является значимым средством удовлетворения потребностей эмоционально-чувственной сферы человека, его потребностей в самоутверждении, самореализации, коммуникации. Игровая деятельность способствует развитию волевого начала личности человека, его интеллектуальных и физических способностей и т.п. Наличие второй (личностной) составляющей игровой деятельности делает обучение в игре непроизвольным, эмоционально комфортным и весьма результативным (хотя эффект достигается, как правило, в достаточно узкой области социальной практики).

В отечественной психологии и педагогике основы теории игры разрабатывались К.Д. Ушин-ским, П.П. Блонским, Г.В. Плехановым, С.Л. Рубинштейном, Л.С. Выготским, А.Н. Леонтьевым, Д.Б. Элькониным, А.С. Макаренко, В.А. Сухомлинским, П.И. Пидкасистым, М.М. Бахтиным, Л.С. Славиной Ю.П. Азаровым, С.А. Шмаковым, Е.И. Добринской, Э.В. Соколовым, М.Г. Ермолаевой и др. Использование игровых ситуаций при организации учебной и внеклассной работы по физике тоже имеет давнюю историю. Наиболее активно это направление развивалось с начала 70-х гг. прошлого столетия (Г.В. Довга, Л.А. Ларченкова, А.П. Тряпицина и др.). Обобщение накопленного опыта имело место в диссертационном исследовании И.Я. Ланиной и ее многочисленных публикациях [3, 4, 5, 6 ]. Автор показала, что возможности организации игровой деятельности на базе разнообразных задачных ситуаций по физике (как качественного, так и количественного характера) просто необозримы. Вместе с тем игровые технологии в организации аудиторных и домашних занятий по решению задач используются в учебном процессе по физике не так часто, как хотелось бы. Еще реже эти технологии задействуются при разработке цифровых образовательных ресурсов по физике.

Разработка игровых компьютерных технологий обучения учащихся решению физических задач является актуальным направлением развития предметной виртуальной среды. Однако анализ отечественного опыта создания цифровых игровых ресурсов учебного назначения показал, что мы существенно отстаем от зарубежной школы как по количеству, так и по качеству их производства. Накопленный российской методической школой опыт создания игровых задачных ситуаций пока еще не перенесен в виртуальную предметную среду и не преобразован в ней в той мере, в которой это может быть сделано благодаря ее уникальным свойствам.

Учебные игры в соответствии с методикой игрового поведения могут быть разделены на три группы: 1) процессуально-имитационные (сюжетные, ролевые, деловые); 2) объектные (с использованием игровых объектов, включая объекты и технологии игровой виртуальной среды); 3) смешанного типа. Приведем примеры игровых учебных ресурсов по физике и инструментов для их разработки, представленных в открытом доступе.

Отечественные цифровые ресурсы для организации игровой деятельности учащихся достаточно просты как технологически, так и концептуально. Их авторами являются, как правило, учителя-предметники, реже коллективы преподавателей высшей школы.

Исторически первым и самым доступным для массовой реализации способом применения цифровых игровых технологий в обучении является проведение уроков, организованных по принципу интеллектуального соревнования (рис. 1). Как правило, такие уроки проводятся на основе сценарных идей популярных развлекательно-образовательных программ («Своя игра», «Блеф-клуб», «Сто к одному» и т.п.). Это игры первого вида - процессуально-имитационные. Такие игры обычно организуются на учебном занятии с большой группой учащихся. Предъявление игровых ситуаций и управление игровым поведением детей осуществляется на основе заранее подготовленных учителем презентаций (MS PowerPoint или Flash). Это могут быть насыщенные мультимедиа презентации, включающие не только тексты и статичные иллюстрации, но и видеоролики, анимацию, компьютерные модели объектов и процессов. Задача игроков по результатам выполнения комплекса заданий набрать максимальное число баллов. Если такая игра направлена на обучение учащихся решению физических задач (качественных и количественных), то основная часть игровых заданий связана с необходимостью их решения.

Рис. 1. Коллекция презентаций к игровым занятиям по физике (учитель физики Т.Е. Пискунова; источник - http://www.seninvg07.narod.ru/004_fiz_igra.htm)

Ко второй видовой группе игр - объектным играм (предметным по Г.К. Селевко) - можно отнести такие классические дидактические развлечения, как физическое лото, физическое домино, кроссворды и ребусы по физике (рис. 2) физический гусек (рис. 3), и др.

Рис. 2. Ребусы по физике (учитель физики Т.Е. Пискунова; источник -http ://www. seninvg07. narod.ru/004_fiz_igra. htm)

Рис. 3. Физический гусек «Физика дома». Программная реализация в среде Macromedia Flash (ПГГПУ, г. Пермь) [1, с. 69]

Разработка таких игр осуществляется не только учителями, но и учащимися. С этой целью используются свободно распространяемые программные приложения, например CrosswordCreator (http://crosswordcreator.homacosoft.com/) (рис. 4). Нередко созданием подобных приложений занимаются учителя-предметники (рис. 5).

Рис. 4. Программа CrosswordCreator для создания кроссвордов (источник - http://crosswordcreator.homacosoft.com/)

В настоящее время весьма популярными среди учителей и учащихся являются веб-квесты по физике (рис. 6). Предметной основой их содержания являются преимущественно учебные задачи. Решая задачи, учащиеся путешествуют по сети и попадают в итоге на финишную веб-страницу, на которой их ждет тот или иной приз.

Рис. 5. Приложение для составления кроссвордов (авторы В.Г.Сенин, Г.Н. Сенина; источник - http://www.seninvg07.narod.ru/000_main_kross.htm)

О

О

•0

ч

Рис. 6. Веб-квесты по физике (учитель физики Н.С. Менгали; источник -https://quest3 01.] imdo.com/)

Игровые модели квестов различны. Например, на авторском сайте «Интерактивная физика», созданном учителем физики Д. Блиновым, представлен весьма оригинальный квест «По страницам старого учебника» (рис. 7). Игроки проходят несколько уровней, на каждом из которых выполняют различные задания, связанные с восстановлением «испорченных» фрагментов страниц школьного учебника. К таким фрагментам относятся тексты, рисунки, таблицы и пр. При выполнении заданий учащимся приходится решать различные задачи, как качественные, так и количественные. Особенностью выполнения таких заданий является внимательное изучение содержания соответствующих фрагментов учебного текста.

Сайг по физике дня учителей, учеников и их родителей

Игры по физике

Квест-игра "По страницам старого учебника" может быть использована для повторения и обобщения темы "Первоначальные сведения о строении вещества". Игра имеет 7 уровней. В каждом уровне нужно выполнить одно задание. Каждый последующий уровень открывается только при прохождении текущего уровня.

Рис. 7. Квест-игра «По страницам старого учебника» (учитель физики Д. Блинов; источник - http://www.interfizika.narod.ru/games.html)

Коллективный игровой продукт «Обучающие игры» для учащихся средней школы представлен на информационно-образовательном портале MetalSpace.ru (рис. 8). Это игра-соревнование. В начале игры учащимся предлагается анимационная заставка с описанием игровой ситуации, например: «Помогите Маше найти друзей», далее учащимся предлагается тест. Чем больше правильных ответов даст учащийся при выполнении теста, тем многочисленнее будет у

игрового персонажа Маши компания друзей. Следует отметить, что игровой сценарий данного ресурса весьма прост, а контекст игровых ситуаций не вполне соответствует возрасту учащихся, для которых предназначены включенные в данный игровой ресурс тестовые задания (10-й класс).

манта

№ ко^пан^я

Тест по физике для подготовки к ГИА

© Браницкий А-В-, Браницкая Л Л, Браницкая ГА. 2015

Используя график зависимости скорости движения тела от времени, определите скорость тела в конце 7-й секунды, считая, что характер движения тела не изменяется.

1)9 м/с

2) 14 м/с

3) 16 м/с

4) 18 м/с

Рис. 8. Обучающая игра «Помогите Маше найти друзей» (учебная тема «Кинематика» 9-й класс; источник - http://metalspace.ru/games/physicsgames/1155-physics-mashako-talent.html)

В зарубежной практике при разработке учебных игр наряду с традиционными реализуются и новые подходы к проектированию моделей игрового поведения. Анализ открытых учебных ресурсов и ряда демоверсий платных игровых продуктов показал, что за рубежом обучающие игры создаются, как правило, коллективами профессиональных программистов на достаточно совершенных игровых платформах. Таких игровых ресурсов немало и они активно применяются в обучении. Кроме того, разработаны и используются специальные онлайн-сервисы (например, BrainFlips, ProProfs, Classtools.net, PurposeGames, StudyStack, LeamingApps и др.), с помощью которых педагогами и учащимися осуществляется самостоятельная разработка учебных игр.

Приведем примеры зарубежной практики создания обучающих игр по физике.

Snapshots of the Universe (https://itunes.apple.com/app/stephen-hawkings-snaps hots /id714306520) - приложение для iOS, выпущенное Стивеном Хокингом совместно с компанией Random House. Приложение включает 8 экспериментов, выполнение которых позволяет учащимся закрепить базовые знания по физике и познакомиться с принципами существования и развития нашей Вселенной (рис. 9). При выполнении экспериментов учащиеся могут отправлять ракеты в открытый космос, собирать собственные звездные системы, находить и изучать черные дыры. Эксперименты, представленные в приложении, можно проводить многократно. Каждый очередной эксперимент может быть выполнен при измененных параметрах исследуемой системы. Учащиеся наблюдают за физическими эффектами, соответствующими новым условиям проведения эксперимента. В приложении предусмотрен раздел, включающий объяснение результатов каждого эксперимента. Имеется возможность просмотра учебных видеороликов, сопровождающих объяснение. Игровые сценарии работы учащихся с данным приложением проектируются учителем.

Рис. 9. Обучающая игра «Snapshots of the Universe» [ 9 ]

Crayon Physics Deluxe (PC, Mac и Linux, Android и iOS) - пазл по основам механики (движение, упругое взаимодействие, гравитация, трение). На игровом поле создаются различные физические ситуации, в которых главным игровым объектом является шарик (рис. 10). Учащийся с помощью этого шарика должен собирать звезды, расположенные в разных местах игрового поля. Для решения этой задачи необходимо создать условия, при которых шарик начнет двигаться по направлению к звезде и в итоге попадет в нее. С этой целью игрок воздействует на шарик другими объектами, которые он должен достаточно оперативно нарисовать прямо на дисплее компьютера и разместить на пути движения шарика. Это могут быть другие шары (бо'льшего или меньшего размера), тела любой другой формы, скаты, переправы, рычаги, маятники и пр. В некоторой степени работа с объектами игрового поля напоминает создание элементов машины Руба Голдберга.

Движение и взаимодействие всех нарисованных объектов и самого шарика подчиняется законам механики. Решая подобные задачи, учащиеся на опыте изучают особенности механического движения и взаимодействия тел, а также следствия данных взаимодействий. В данной игре несколько уровней. Последовательно предъявляемые на каждом новом уровне

задачные ситуации являются по сути физическими головоломками, сложность которых от уровня к уровню растет.

Рис. 10. Crayon Physics Deluxe (источник - http://www.crayonphysics.com/)

Algodoo (http://www.algodoo.com/) - платформа 2D-моделирования физических экспериментов от Algoryx Simulation AB. С помощью простых графических образов и интерактивных инструментов можно в рабочем поле игры создавать различные технические конструкции, а также разрабатывать эксперименты для лабораторных занятий по физике (рис.11). При проектировании технических объектов игроки могут использовать различные материалы, приборы и принадлежности (жидкости, пружины, шарниры, двигатели, различные индикаторы, оптические инструменты и пр.). Создавая различные конструкции и исследуя их работу при различных параметрах, игроки изучают физические явления (гравитационное притяжение, трение, преломление света и т.д.). Объекты, созданные в среде Algodoo, и сам процесс их создания являются предметной основой для моделирования учителем различных игровых ситуаций.

Рис.11. Платформа Algodoo для 2D-моделирования физических экспериментов

Algoryx Simulation AB) [2]

LearningApps - приложение Web 2.0 для поддержки образовательного процесса в учебных заведениях разных типов. В приложении представлены готовые игровые упражнения (рис. 12, 13) и шаблоны (более 20) для создания новых упражнений (рис.14). Имеются инструменты для организации коммуникаций игроков и управления их игровым поведением (календарь, голосование, чат, доска объявлений, блокнот).

Рис. 12. Страница готовых игровых упражнений по физике в приложении LearningApps (источник - https://learningapps.org/index.php?category=7&s=)

Рис. 13. Викторина по теме «Теплопередача» в приложении LearmngApps (пример готового игрового упражнения; источник - https:/Лearmngapps.org/mdex.php?category=7&s=)

Рис. 14. Шаблоны для создания новых игровых упражнений в приложении LearningApps (источник - https://learningapps.org/index.php?category=7&s=)

С помощью данного сервиса учитель может самостоятельно создавать: тесты, викторины, игры в слова, кроссворды, игровые задания на классификацию (сортировку объектов и процессов), составление пар, ввод текста и т.п. Вполне успешным будет использование на занятиях по физике и в домашней работе учащихся библиотеки готовых разработок, выполненных пользователями данного сайта. Подготовленные учителем задания позволяют моделировать различные игровые ситуации в учебном процессе по предмету.

Выполненный анализ цифровых игровых продуктов позволяет обратить наше внимание на главную особенность зарубежной практики их разработки. Осуществляются не просто перенос классических дидактических игр 70 - 80-х гг. прошлого века (викторин, кроссвордов, ребусов и т.п.) в виртуальную среду и использование ее мультимедиа потенциала для более эффектной их представления. Создание учебных игр базируется на применении в полном объеме всей совокупности уникальных функций данной среды обучения (моделинг, мультимедиа, интерактивность, коммуникативность, интеллектуальность, производительность). Производителями широко применяются новые технологии и инструменты организации поведения учащихся в игровой виртуальной среде. Игрокам предлагается, как правило, динамичный интерактивный видеоряд различных физических объектов, которые движутся и взаимодействуют в игровом поле в соответствии с законами природы. Игровые ситуации ориентируют учащихся на достаточно быстрое принятие решений. Его основу составляет обычно интуитивное понимание особенностей поведения физических объектов. Результатом таких игр за счет большого числа игровых задачных ситуаций является накопление учащимися достаточного количества квазиэмпирических данных, которые впоследствии становятся предметом всестороннего анализа, систематизации и обобщения (выявления физических закономерностей). Важно отметить, что в зарубежных игровых продуктах существенное внимание уделяется деятельности учащихся по применению знаний по физике в решении практических задач, включая проектирование и использование объектов техники.

Значительная часть зарубежных обучающих игр - это игры нового поколения, включающие оригинальные концептуальные и технологические решения. Они являются не только эффективным средством повторения и закрепления приобретенных учащимися знаний и умений, но и существенным образом влияют на развитие их творческого потенциала, внимательности, сообразительности, динамических характеристик мыслительной деятельности, ее вариативности и многозадачности, а также когнитивной гибкости (готовности к быстрому переключению с одной задачной ситуации на другую).

В рамках нового подхода к разработке компьютерных обучающих игр авторами настоящее статьи предпринята попытка создания дидактической игры «Физика спорта». Сценарий игры построен на основе правил различных спортивных состязаний. Содержательной опорой игровой деятельности является материал учебных тем «Кинематика» и «Динамика» (10-й класс).

Первая версия данной игры была разработана в 1999 г. (Пермский государственный педагогический университет, авторы Е.В. Оспенникова, Н.А Оспенников) [9, с. 309 - 311]. Реализованная в виртуальной среде средствами языка программирования Паскаль данная игра прошла успешную апробацию в учебном процессе по физике в средней школе. В настоящее время эта игра разработана в обновленном варианте в среде Unity 3D с применением технологии максимально реалистичного интерфейса.

Сценарий игры включает несколько спортивных состязаний:

- керлинг (прямолинейное равноускоренное движение).

- гольф (прямолинейное равнозамедленное движение, движение тела, брошенного под углом к горизонту ).

- авторалли (движение с помощью графического «штурмана»).

- стрельба по движущейся мишени (относительность механического движения).

- триал (прямолинейное ускоренное движение, движение тела, брошенного горизонтально).

- метание диска (вращательное движение, движение тела, брошенного под углом к горизонту ).

- спидвей (движение по окружности, кинематика движения тела на повороте). Рассмотрим в качестве примера виртуальное игровое состязание «Гольф» (рис. 15, 16).

Проект выполнен студенткой физического факультета ПГГПУ (г. Пермь) Д.М. Капись (направление подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии», профиль «Информационные системы и технологии в образовании»).

Рис. 15. Дидактическая игра «Физика спорта. Гольф»

Поле для игры в гольф выполнено в трехмерном графическом редакторе: живописный ландшафт и «живой» (управляемый) участник состязания. Реализованы анимация игрового поведения спортсмена и движения (качения, полета) мяча после удара. Осуществляются контроль соблюдения организационной структуры соревнования и мониторинг спортивных достижений его участников. Подключено звуковое сопровождение игровых событий.

>

Дидактическая игра «Гольф» разработана на материале учебной темы «Кинематика» и предназначена для учащихся 10 класса.

Содержание игровых заданий составляют типовые и нестандартные учебные задачи на расчет кинематических характеристик равноускоренного движения тела по горизонтальной прямой и наклонной плоскости, а также движения тела, брошенного под углом к горизонту.

Выполнение заданий направлено на закрепление знаний учащихся по теме «Кинематика» и отработки умений в их применении к решению задач.

Соревновательный эффект игры способствует развитию у учащихся скорости мыслительных процессов и умения выстраивать наиболее эффективные стратегии игрового поведения.

Перед началом игры учащиеся могут повторить необходимый теоретический материал и пройти тестирование с целью определения минимально достаточного уровня готовности к выполнению игровых заданий (70%).

Рис. 16. Игра «Гольф»: общие сведения

Правила игрового поведения участников виртуального состязания представлены на отдельной странице ресурса (рис. 17). Для просмотра полного перечня правил необходимо воспользоваться скроллером. Авторы попытались сформулировать данные правила по содержанию и используемой терминологии в соответствии с правилами игры в гольф.

Правила игры

Главная задача игры - максимально быстро и за меньшее количество ударов забить мяч в лунку. Раунд состоит из 15 лунок и включает пять уровней сложности прохождения лунки. Игра ведется на счет ударов или на лунки. Если игра идет на счет ударов, то каждую лунку обязательно нужно доиграть, т.е. забить в нее мяч.

Необходимо загнать мяч в лунки разной длины, а также находящиеся на разной высоте. Отправить мяч в лунку можно паттом (накатом) или свингом (ударом под углом к горизонту).

Попытка закончить лунку будет успешной, если гольфист верно решит соответствующую игровой ситуации физическую задачу. Пар каждой лунки (число попыток) - 3. Общий пар поля - 45. Если игроку не удается справиться с лункой за 3 удара, то ему рекомендуется воспользоваться подсказкой к решению

Рис. 17. Игра «Гольф»: правила игрового поведения

По нажатию кнопки «Начать игру» участник регистрируется, проходит тест по теме «Кинематика» и, набрав по его результату базовые очки, попадает на игровое поле (рис. 18).

Рис. 18. Игра «Гольф»: система навигации

На игровом поле на различном расстоянии от игрока и на разных по отношению к его исходной позиции высотах размещены лунки, помеченные флажками. Положение каждой лунки по отношению к играющему определяет содержание физической задачи, которую он должен решить, чтобы поразить цель. В задачу каждого играющего входит расчет кинематических характеристик запуска мяча, отправляемого ударом клюшки в лунку: 1) угла, под которым совершается удар по мячу; 2) начальной скорости его движения (рис. 19). Выбор параметров для расчета определяется игровой ситуацией.

Задача игрока загнать мяч в лунку!

Известна длина лунки Э. Необходимо определить угол атаки а или скорость ио, которую надо придать мячу для его попадания в лунку.

Выбирай лунку и начинай игру!

Рис. 19. Выбор игровой лунки

Определившись с выбором игровой лунки, спортсмен решает, каким образом отправить мяч в данную лунку: накатом по поверхности игровой площадки или броском под углом к горизонту. Расчет характеристик запуска осуществляется на основе законов механического движения. Сопротивление воздуха не учитывается. При движении мяча по поверхности игровой площадки учет сопротивления осуществляется через определение в задачной ситуации значения ускорения равнозамедленного движения. При правильном решении физической задачи мяч после удара по нему клюшкой попадает в лунку (рис. 20). В случае затруднения в решении задачи игрок может обратиться за помощью (подсказкой) (рис. 21)

Рис. 20. Игра «Гольф» (первый уровень: движение по горизонтали или бросок под углом к горизонту)

Рис. 21. Вызов подсказки: третий уровень помощи (полное решение - 3 штрафных удара)

В сценарий игры «Гольф» включено семь задачных ситуаций. Три из них - это типовые ситуации:

- найти значение начальной скорости и0 движения мяча при заданном расстоянии до лунки Б, известном ускорении движения а по поверхности игрового поля и нулевой конечной скорости (трением о поверхность пренебречь);

- определить начальную скорость движения мяча и0, брошенного под углом к горизонту, при заданном угле вылета а и известной дальности полета Б;

- выполнить расчет угла а, под которым надо запустить мяч, при заданной дальности полета Б и известной начальной скорости вылета и0 .

Указанные выше задачные ситуации связаны с лункой первого типа (первый игровой уровень) (рис. 22). Такие лунки расположены на игровом поле на том же уровне, что и игрок. Попасть в данную лунку мячом игрок может двумя способами: накатом или броском под углом к горизонту. Способ удара по мячу и соответственно вид решаемой задачи играющий выбирает сам.

Варианты решения:

и0 =42а§ (качение мяча по игровому полю)

I

бш 2а

(бросок под углом к горизонту)

1 ■ 1 (бросок под углом к горизонту)

а = — агоБт -

Рис. 22. Лунка №1 (первый игровой уровень)

2

Следующие две задачи имеют повышенный уровень сложности (второй игровой уровень):

- найти значение начальной скорости движения тела и0, брошенного под углом к горизонту, при заданном угле вылета а, известной дальности полета Б и условии попадания в цель, расположенной на некоторой высоте к над уровнем исходного положения тела перед броском (сопротивлением воздуха пренебречь) (рис. 23);

- определить значение начальной скорости и0, которую надо сообщить телу для его движения вверх по наклонной плоскости длиной Ь при условии, что тело достигнет ее вершины с конечной скоростью равной нулю; угол наклона плоскости к горизонту Р, (трение о плоскость не учитывается) (рис. 24).

Последние две игровые ситуации по сложности относятся к физическим задачам олимпиадного уровня (третий игровой уровень):

- определить начальную скорость запуска мяча накатом и0 по наклонной плоскости с известным углом наклона а к горизонту и известной конечной координатой мяча в нижней части плоскости Б; угол между вектором начальной скорости и линией основания наклонной плоскости равен Р (трение о плоскость не учитывать) (рис. 25);

- найти начальную скорость запуска мяча накатом и0 по наклонной плоскости с известным углом наклона а к горизонту и известной конечной координатой мяча в средней части плоскости, находящейся на высоте к (трение о плоскость не учитывать) (рис. 26).

Решение:

S

g

cos а\ 2(Stga — h)

(бросок под углом к горизонту)

Решение:

и0

(движение вверх по наклонной плоскости)

Рис. 23. Лунка № 2 (второй игровой уровень )

Рис. 24. Лунка № 3 (второй игровой уровень)

=

Решение:

■J = lgSSi 0 V sin 2

sin Р 2а

Рис. 25. Лунка № 4 (третий игровой уровень)

Решение:

S ( g sin Р

cos а \ 2(Stga — h)

Рис. 26 Лунка № 5 (третий игровой уровень)

Согласно сценарию игрок может последовательно пройти три уровня игры (базовый, повышенный, олимпиадный) или выбрать один (любой) из этих уровней. При выборе уровня сложности на экран выводится картинка игровой площадки только с теми лунками, которые соответствуют учебным задачам этого уровня. Игрок может выбрать для начала игры любую из лунок. Выбор лунки осуществляется кликом «мышки». Строка состояния рабочего поля игры (рис.20) позволяет игроку оценить физическую ситуацию, соответствующую условиям игры, произвести необходимые расчеты на основе заранее обдуманной идеи решения задачи, ввести необходимые значения параметров удара по мячу и выполнить удар. Полет мяча отображается на игровом поле. Программа фиксирует факт попадания мяча в цель. Меткие удары «награждаются» бурными аплодисментами «болельщиков».

Строка состояния включает следующие игровые «клавиши»:

- параметры лунки (рисунок задачной ситуации с необходимым набором исходных данных);

- начальная скорость мяча (устанавливается с клавиатуры произвольно методом подбора или на основе полученного результата решения соответствующей задачи);

- угол запуска мяча (устанавливается с клавиатуры аналогичным образом);

- ускорение движения мяча по траве (указывается только для игровых ситуаций, в которых учет сопротивления движению мяча по поверхности поля обязателен; данный параметр имеет постоянное значение);

- удар (запуск мяча);

- попытки (подсчет выполненных бросков по активной лунке; число бросков ограничено - не более 10);

- очистить площадку (удаление с игрового поля мячей, не попавших в цель);

- «?» (правила игры);

- выход.

На завершающей стадии разработки данной игры была произведена оценка вероятности попадания мяча в лунку для случая, если игрок не решает задачу, а пытается эмпирическим путем подобрать параметры удара. Игровая практика показала, что для достижения успеха путем простого подбора параметров следует произвести не менее 5 - 6 предварительных бросков. Это лучший результат. Как правило, таких попыток надо совершить более 10, поэтому на каждом игровом уровне участнику состязания разрешается выполнить в направлении одной лунки не более 10 ударов.

Поразив все лунки на одном игровом уровне, игрок может перейти на следующий уровень или закончить игру. «Судья» подсчитывает число произведенных ударов, число попаданий, количество штрафных ударов за обращение к подсказкам, «чистое» время игры и определяет лидера состязания.

Число участников игры произвольно. Учащийся может играть один или в паре с одноклассником. В состязании одновременно могут быть задействованы все учащиеся класса. Это может быть занятие практикума по решению физических задач, организованное в кабинете, оснащенном компьютерами. Возможна организация игры в классе и при наличии одного компьютера. В этом случае право «первого удара» получает тот, кто наилучшим образом справился со вступительным тестированием. Возможность каждого последующего «удара по мячу» предоставляется тому учащемуся, который быстрее других справится с решением очередной задачи игрового сценария.

Уровень овладения учащимися умения решать задачи из предложенного набора демонстрируется в «Турнирной таблице» (рис. 27).

Практика использования данной игры в учебном процессе продемонстрировала ее дидактическую эффективность. Игра вызывает у учащихся интерес и повышает их учебную активность на занятии по решению физических задач. Комплекс состязаний «Физика спорта» позволяет охватить достаточно широкий класс типовых задач по разделу «Механика». Разработка данного комплекса в настоящее время продолжается на кафедре мультимедийной дидактики и информационных технологий обучения Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. В проекте задействованы студенты старших курсов, обучающиеся по направлению подготовки 09.03.02 «Информационные системы и технологии», профиль «Информационные системы и технологии в образовании».

Турнирная таблица

Имя, класс Тест 1 уровень 2 уровень 3 уровень 4 уровень 5 уровень Общее Количество проигранных лунок Общее время, мин

п t, мин п t, мин п t, мин п t, мин п t, мин количество ударов, N

1.

2.

3.

4.

п - количество ударов на каждом уровне

N = П1 + П2 +ПЗ + П4+ П5

Рис. 27. Турнирная таблица игры «Гольф»

Список литературы

1. Зенцова И.М., Оспенникова Е.В. Применение средств ИКТ в организации домашнего физического эксперимента // Вестник ПГПУ. Серия: ИКТ в образовании. - Пермь: ПГГПУ. - 2016. - Вып.12. - С. 45 - 81.

2. Игры и приложения для изучения физики, химии и математики. [Электронный ресурс]. -URL: https://infocity.az/2017/09/%D0%98%D0%B3%D1%80%D1%8B-%D0%B8-0%BF%D1%80%D0% B8%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0% B8%D0%B7%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F-%D1%84%D0%B8%D0% B7%D0% B8%D0%BA%D0%B8 (дата обращения: 15.02.2018).

3. Ланина И. Я. Методика формирования познавательного интереса школьников в процессе обучения физике: Дис. ... д-ра пед. наук. Л., - 1984. - 409 с.

4. Ланина И.Я. Формирование познавательных интересов учащихся на уроках физики: Книга для учителя. - М.: Просвещение. - 1985. - 128.

5. Ланина И.Я., Довга Г.В. Урок физики: как сделать его современным и интересным: Кн. для учителя. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2000. - 260 с.

6. Ланина И.Я., Тряпицина А.П. Раздвигая границы привычного: путешествие по урокам физики - Л.: Лениздат, 1990. - 110 с.

7. Леонтьев А.Н. Деятельность. Сознание. Личность. - М.: Политиздат, 1975. - 304 с.

8. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: методическое пособие. - М.: Бином. Лаборатория знаний. - 2011. -655 с.

9. Оспенникова Е.В. Развитие самостоятельности школьников в учении в условиях обновления информационной культуры общества: монография в 2 ч.:. Ч. 2. Основы технологии развития самостоятельности школьников в изучении физики / Перм. гос. пед. ун-т. - Пермь, 2003. - 329 с.

10. Оспенникова Е.В., Оспенников, А.А. Теория и методика обучения физике в средней школе. Избранные вопросы. Применение ИКТ в обучении учащихся решению физических задач: учебное пособие / А.А. Оспенников, Е.В. Оспенникова; Перм. гос. гуманит.-пед. ун-т. - 2-е изд., перераб. и доп. - Пермь: АСТЕР, 2018. - 112 с.