CC BY
35КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ В СРЕДНЕЙ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ
УДК 532.1 (07)
Д.В. Баяндин, А.Е.Финский
ИНТЕРАКТИВНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГИДРОСТАТИКИ И ГИДРОДИНАМИКИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ
Рассматриваются возможности использования на занятиях в средней школе интерактивных компьютерных моделей по гидростатике и гидродинамике. Представлены ресурсы названного раздела курса из состава обучающей среды «Интер@ктивная физика» (Институт инновационных технологий, г. Пермь). Прослеживается преемственность подходов в представлении информации и ее обработке: от простейших моделей среды по теме «Сообщающиеся сосуды» (7-й класс) до задач вузовского уровня, которые в школе могут рассматриваться в форме исследования на модели, например, при изучении механических колебаний в 11-м классе. Наглядность представления явлений в компьютерной модели способствует преодолению типовых ошибок и непонимания логики решения задач. Работа с интерактивными моделями и тренажерами может быть эффективным средством подготовки к итоговой аттестации за курс средней школы.
Ключевые слова: виртуальная среда обучения, компьютерные модели, интерактивные тренажеры, исследование на модели.
Одно из важных направлений развития информационно-образовательной среды связано с разработкой и использованием программных средств учебного назначения, эффективных, интеллектуальных, гибких, методически выверенных, позволяющих варьировать объем и формы представления материала, методику его подачи. Лучшие программные продукты и методики поддерживают интерактивность обучения, деятельностное усвоение знаний, формирование навыков принятия решений [2]. Достоинствами компьютерных образовательных технологий при изучении физики являются:
• появление новых механизмов развития теоретического мышления;
• визуализация сложных процессов, причем с элементами активности, манипуляционности (в отличие от видео- и телеобучения);
• автоматизация обработки данных эксперимента (пассивная роль компьютера);
• управление натурным экспериментом (активная его роль);
• возможность сочетания экспериментального исследования с построением и изучением идеальной, математической и компьютерной модели;
• проведение численного эксперимента в ситуациях, в которых непригодны стандартные приборы: на очень больших или очень малых временных и пространственных масштабах, а также в тех областях физики, для которых натурный эксперимент в классе невозможен;
• расчет задач, аналитическое решение которых сложно или невозможно;
© Баяндин Д.В., Финский А.Е., 2019
• возможность коллекционирования, обработки и воспроизведения видео, аудио, редких полиграфических изображений и другого иллюстративного материала;
• удобство и дешевизна тиражирования программных продуктов по сравнению со средствами обучения, традиционными для данной учебной дисциплины;
• безопасность: компьютерная система, в отличие от реальной экспериментальной установки, не сломается, не взорвется, не повлечет материальные и человеческие жертвы. Научно-методическая периодика содержит большое количество публикаций, описывающих возможности компьютерных технологий для повышения наглядности при сопровождении лекций, организации виртуального или компьютеризованного лабораторного практикума, локального или дистанционного контроля знаний [4, 7-11]. Тем не менее требуют дальнейшей разработки вопросы:
• развития теоретических основ проектирования компьютерных обучающих систем, уточнения принципов и развития методов их построения, в том числе в плане использования методов математического моделирования объектов предметной области и построения экспертных систем;
• выявления существенных свойств, методологической, технологической и методической основы программных средств, ориентированных на поддержку предметного обучения, которые позволят им стать эффективным компонентом информационно-образовательной среды;
• совершенствования технологии разработки программных средств учебного назначения, использования инструментальных средств визуального проектирования и математического моделирования;
• развития методики и выработки таких организационных форм, которые обеспечат эффективное использование информационно-коммуникационных технологий, повышение качества предметного обучения;
• выявления методов и средств повышения самостоятельности учащихся в процессе учения на информационном этапе развития общества.
Некоторые из этих вопросов обсуждаются ниже на примере раздела «Гидростатика и гидродинамика» школьного курса физики.
1. Состав тематического модуля компьютерной среды предметного обучения
В работе [1] в целях повышения эффективности обучения предлагается формировать для каждого элемента содержания учебной дисциплины серии виртуальных учебных объектов («мультиплеты»), относящихся к различным жанрам: видеофрагменты, анимации, модельные демонстрации и лабораторные работы, интерактивные задания и тренажеры. Сочетание различных жанров, т.е. представление учебной информации в различных формах, дает синергетиче-ский эффект, способствует лучшему пониманию, более глубокому усвоению материала учащимися и, как результат, повышению качества обучения.
С учетом широкого использования модульной структуры компьютерных учебных пособий набор мультиплетов по некоторой теме можно назвать мультижанровым модулем. В нем каждый следующий объект представляет собой развитие и углубление предыдущего, как с точки зрения содержания, так с точки зрения технологии представления информации и видов рабо-
ты с ней. Желательно, чтобы такой модуль охватывал возможно большее число жанров, позволял рассмотреть явление всесторонне и поддерживал различные фазы обучения и различные формы учебной деятельности учащихся, усиливая за счет этого обучающий эффект.
Все виртуальные учебные объекты, представленные в мультижанровом модуле, нацелены на создание условий для самостоятельной, активной и творческой учебной деятельности. Часть из них содержит экспертную систему, которая анализирует действия учащегося, оценивает степень усвоения материала и сформированности знаний, умений и навыков, диагностирует совершаемые ошибки и генерирует контекстные реакции.
Модуль по гидростатике в среде «Интер@ктивная физика» [5] содержит около 30 виртуальных учебных объектов, в том числе демонстрационные и исследовательские модели, интерактивные задания и тренажеры, виртуальные лабораторные работы, тесты. Частично состав модуля представлен на рис. 1.
Рис. 1. Меню 3-го уровня обучающей среды «Интер@ктивная физика» [5]
Значительное внимание уделяется таким вопросам, как гидростатическое давление, закон Архимеда, условия плавания тел. Дадим краткое описание нескольких объектов среды. Интерактивная модель «Условия плавания тел» (рис. 2) имеет пять изменяемых параметров, визуализирует положение плавающего тела (глубину погружения) и действующие в системе силы. Пользователь может установить качественную и количественную взаимосвязь между характеристиками системы и состоянием тел, включая ситуацию, когда тело тонет и «ложится на дно».
Рис. 2. Интерфейс интерактивной модели «Условия плавания тел»
Закону Архимеда и условиям плавания тел посвящен тренажер, содержащий 10 интерактивных заданий, каждое из которых содержит от трех до шести шагов. Шаг соответствует одному из этапов решения задачи или вывода формулы закона. Например, в задании, представленном на рис. 3 а, учащийся выводит формулу закона Архимеда. Предполагается, что тема «Гидростатическое давление» изучена. На первом шаге решения нужно дать ответ на три вопроса: каково давление жидкости на верхнюю плоскость тела, какова сила этого давления, как она направлена. На втором шаге те же три вопроса задаются относительно нижней плоскости тела, на третьем шаге - относительно равнодействующей сил; на четвертом записывается формула закона в ее традиционном виде. Ответы на вопросы даются в форме установления соответствия. После нажатия кнопки «Готово» правильные ответы подсвечиваются зеленым цветом фона в рамке, неправильные - красным, при наличии ошибок дается наводящий вопрос.
В других заданиях тренажера используются и иные формы представления ответа: построение векторной картины сил (выбор одного из векторов фиксированной длины либо самостоятельное построение вектора нужных длины и направления), запись проекции уравнения 2-го закона Ньютона на координатную ось, ввод ответа в виде числа или слова (рис. 3б и 3в).
Многошаговая организация каждого задания формирует в сознании учащегося ориентировочную основу действий. Эффект усиливается за счет того, что в каждом следующем задании тренажера рассматривается измененная ситуация, новый аспект действия закона Архимеда. При этом представленные ситуации предварительно предлагались к рассмотрению в интерактивных моделях. Комплекс виртуальных учебных объектов, состоящий из нескольких моделей, заданий и тренажера создает «объемное» представление о рассматриваемом явлении, законе.
а)
б)
Рис. 3. Интерактивные задания из состава тренажера «Закон Архимеда» (начало)
в)
Рис. 3. Интерактивные задания из состава тренажера «Закон Архимеда» (окончание)
Модуль «Гидродинамика» в программном продукте [5] содержит 8 интерактивных моделей, отображенных на рис. 4. Три из них касаются гидродинамики идеальной жидкости (постоянство объемного расхода, теорема Бернулли, водометный движитель - как дополнительная иллюстрация к понятию реактивной силы). Остальные описывают движение тела в вязкой среде, демонстрируют основные закономерности течений Куэтта и Пуазейля вязкой жидкости. Интерактивных заданий данный модуль в настоящее время не содержит, поскольку простые задачи на закон постоянства расхода и теорему Бернулли (рис. 5а) хотя и встречаются в профильном курсе физики, но представляются скорее экзотикой, чем реально востребованным материалом. В то же время интерактивные модели движения тела в вязкой жидкости обладают самостоятельной ценностью, поскольку позволяют исследовать в виртуальном эксперименте закономерности явления, строгое описание которого выходит за рамки школьной программы.
В модели «Сила вязкого трения» рассматривается горизонтальное движение шара, находящегося во взвешенном состоянии (состояние безразличного равновесия по вертикали). Поочередное изменение параметров - горизонтальной внешней силы, радиуса и массы тела, коэффициента вязкости среды - позволяет наблюдать процессы установления равномерного движения или покоя (рис. 5б). Во всех случаях выход значения скорости шара на стационар происходит по экспоненциальному закону: резкое изменение значения одного из параметров приводит к появлению равнодействующей сил и ускорения, но с течением времени обе величины обращаются в ноль. Скорость равномерного движения зависит от управляющих параметров.
Модель «Течение Пуазейля» (рис. 5в) иллюстрирует закономерности одномерного движения (первая мода) вязкой жидкости в плоском слое, в том числе зависимость от градиента давления и толщины слоя для объемного расхода и силы вязкого трения.
Рис. 4. Меню 3-го уровня обучающей среды «Интер@ктивная физика»
а)
Рис. 5. Примеры интерактивных моделей модуля «Гидродинамика» (начало)
Сила вязкого трения
внешняя сг^н РЛ сила еД-
вн- гтр ■ гсум
коэфициент пгтд ел
ВЯЗКОСТИ -Щ с<ч-
сила вязкого
равнодеи- оо ствующая ©Л-
ускорение -33 еД-
скорость 1 0 ед.
время 4,5 ед.
б)
в)
Рис. 5. Примеры интерактивных моделей модуля «Гидродинамика» (окончание)
В одной из моделей рассматривается вертикальное движение шара в вязкой среде при действии силы тяжести; по сути, это аналог классической лабораторной работы «Определение вязкости жидкости методом Стокса». Здесь пользователь задает начальную скорость движения шара (вверх или вниз) и коэффициент вязкости. Модель отстраивает графики зависимости от времени для ускорения, скорости и координаты. Графическая информация может накапливаться, что позволяет анализировать семейства графиков. В частности, пользователь может убедиться, что при фиксированной вязкости все зависимости скорости от времени имеют общую асимптоту, к которой приближаются с обеих сторон, т.е. скорость стационарного движения не
зависит от начальных условий. Аналогично графики для координаты образуют систему кривых с одинаковым наклоном на больших временах, а графики ускорения сверху и снизу выходят на нулевое значение.
Заметим еще, что визуализация всех течений жидкости производилась в компьютерных моделях с помощью мелких белых крупинок, движущихся с рассчитанной скоростью потока в каждой его точке. Такой способ отображения аналогичен использованию алюминиевой пудры при визуализации течений в гидродинамическом эксперименте.
2. Интерактивные модели по теме «Сообщающиеся сосуды»
Раздел «Гидростатика» курса физики средней школы традиционно содержит тему «Сообщающиеся сосуды». В большинстве известных нам электронных учебных пособий по физике эта тема освещается далеко не полно. Зачастую из числа интерактивных объектов имеется только демонстрация работы шлюзов. Кроме того, в среде [5] имеется демонстрация принципа действия жидкостного манометра (рис. 6) и соответствующая лабораторная работа.
Рис. 6. Интерактивная демонстрация принципа действия жидкостного манометра
В демонстрации использован, как видно из рис. 6, следующий визуальный прием: при погружении зонда с мембраной манометра на некоторую глубину не только возникает разница АН уровней в коленах ^-образной трубки, но и сам манометр смещается по вертикали таким образом, чтобы подчеркнуть равенство создающего давление столба в сосуде величине АН.
Актуальными для школьников являются и другие задачи по теме «Сообщающиеся сосуды», практически не освещенные в электронных учебных изданиях. Например, задача о смещении уровней жидкости (обычно ртути) в ^-образной трубке при добавлении в одно из колен бо-
лее легкой жидкости (воды или масла). Проблемы при решении такого рода задач вызывает непонимание, какие столбы жидкости в левом и правом коленах трубки уравновешивают друг друга. Проблемы усугубляются повальной нелюбовью учащихся к построению иллюстрирующих задачу чертежей и рисунков; если рисунок и выполняется, то зачастую формально, чтобы удовлетворить требования учителя, а не чтобы понять особенности рассматривающейся ситуации. Сказанное относится как к построению векторной картины сил или импульсов в задачах динамики, так и к обсуждаемой задаче о жидкостях в трубке. Действительно, аккуратный чертеж делает решение такой задачи очень простым.
В целях наглядного представления того, как в этой системе устанавливается гидростатическое равновесие, одним из авторов настоящей статьи была разработана соответствующая интерактивная модель (рис. 7). При этом возможности управления объектами максимально приближены к реальности: обе жидкости можно доливать в трубку, открывая краны на подводящих трубках, и можно выпускать, открывая пробки в нижней части трубки.
Рис. 7. Интерактивная демонстрация «Равновесие пары жидкостей в ^/-образной трубке»
Между коленами трубки располагается шкала, позволяющая определять высоту столбов; специальные метки-флажки акцентируют внимание учащегося на том, какие столбы следует сравнивать, поскольку именно они уравновешивают друг друга. В качестве тяжелой жидкости (желто-коричневого цвета), как и в моделях «Интер@ктивной физики», рассматривается этилйодид, привлекательная особенность которого состоит в том, что его плотность вдвое больше плотности воды. Такое соотношение плотностей обеспечивает удобство снятия показаний со шкалы, в отличие от пары «вода - ртуть», когда изменение столба ртути мало.
Интересным развитием модели является ее вариант, в котором рассматриваются колебания в ^-образной трубке однородной жидкости. Задача об определении периода таких колебаний входит, например, в задачник [6]. Решение строится на записи закона движения для всей жидкости под действием возвращающей силы, которую обеспечивает разница столбов в коленах; получающееся соотношение приводится к стандартной форме дифференциального уравнения гармонических колебаний. Коэффициент при нулевой производной имеет смысл квадрата циклической частоты колебаний.
Математический аппарат такого рода выходит за рамки школьной программы, хотя связь а = —ш • х учащимся 11-х классов знакома и может быть использована для аналитического решения задачи. С другой стороны, такая задача может быть рассмотрена как экспериментальная (рис. 8): пользователь может изменять общее количество жидкости в трубке (массу или объем), начальную разницу столбов, вызывающую колебания, плотность и вязкость жидкости, диаметр трубки. Обнаруженные закономерности можно иллюстрировать графиками.
Рис. 8. Интерактивная демонстрация «Колебания жидкости в ^/-образной трубке»
До недавнего времени нам не были известны модельные реализации такой задачи, теперь же ее можно найти на сайте «Медиадидактика» [3]. Здесь эта задача поставлена именно в виде исследования на модели, с формальным изменением параметров системы, без претензий на реалистичный интерфейс. Например, отсутствуют механизмы создания начальной разницы столбов в коленах трубки или изменения плотности жидкости.
В нашей реализации разница столбов создается следующим образом: одно из колен трубки затыкается пробкой (рис. 9), после чего в другое добавляется из крана желаемое количество
жидкости. При удалении пробки возникают колебания. Таким образом можно задавать различную амплитуду колебаний и убедиться, что период колебаний от нее не зависит. При этом возникает дополнительная сложность: необходимость учета возникающего при доливании изменения полной массы жидкости.
Рис. 9. Работа кнопки «подсказка» в модели «Колебания жидкости в ^/-образной трубке»
Еще одна модель, имеющая отношение к теме сообщающихся сосудов, представлена на рис. 10. Пользователь может регулировать подачу жидкости в резервуар и, как следствие, высоту столба, которая определяет скорость струи воды на выходе. Также регулируется направление струи, так что становится видна ее параболичность. Модель выполнена в приближении идеальной жидкости и не претендует на точность отображения сложных гидродинамических эффектов. Впрочем, на одну закономерность, следующую из закона постоянства объемного расхода, можно обратить внимание: толщина струи при подъеме увеличивается, поскольку скорость движения жидкости уменьшается. На нисходящей части траектории толщина струи вновь уменьшается.
Заметим, что наполнение глобальной информационно-образовательной среды новыми интерактивными моделями по физике происходит в последние годы достаточно активно. В определенной степени это вызвано появлением в информационном поле новых классов задач, в том числе благодаря развитию базы Единого государственного экзамена.
В этом отрадном в целом явлении имеется и негативная сторона. Актуальность проблемы подготовки учащихся к итоговой аттестации порождает ажиотажный спрос прежде всего на технически и финансово легкодоступные - сетевые и бесплатные - ресурсы. К сожалению,
качество некоторых из них (например, [12]) не выдерживает критики ни с точки зрения дисциплинарного содержания, ни с точки зрения программной реализации. Неискушенный потребитель зачастую не в состоянии определить уровень выбираемого ресурса, тем более что на любом сайте всегда имеется достаточное количество хвалебных отзывов, в том числе написанных самими держателями этих сайтов. Способов выбраковки низкопробных изданий, по-видимому, не существует.
Рис. 10. Интерактивная демонстрация «Самотечный фонтан»
Список цитируемых источников
1. Баяндин Д.В. Мультиплетная структура виртуальной среды обучения и технологизация учебного процесса [Электронный ресурс] // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). - 2013. - Т. 16, № 3. - С. 465-488. - URL: http://ifets.ieee.Org/russian/depository/v16_i3/pdf/4.pdf (дата обращения: 30.04.2019).
2. Баяндин Д.В. Реализация концепции полнофункциональной предметно-ориентированной среды обучения [Электронный ресурс] // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). - 2015. - Т. 18, № 4. - С. 574-601. - URL: http://ifets. ieee.org/russian/depository/v18_i4/pdf/4.pdf (дата обращения: 30.04.2019).
3. Виртуальные лабораторные работы по физике [Электронный ресурс]. - URL: http://mediadidaktika.ru (дата обращения: 30.04.2019).
4. Гилярова Н.М. Ключевая роль презентации в лекционном курсе физики // Физическое образование в вузах. - 2012. - Т. 18, № 2. - С. 45-53.
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.]. - Электрон. дан. (7,3 Гб, 7,9 Гб). - Пермь: ООО ИИТ, 2012.
6. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. - 2-е изд., перераб. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. - 416 с.
7. Калачев Н.В. Проблемно-ориентированные физические практикумы в техническом университете. Опыт применения // Физическое образование в вузах. - 2011. - Т. 17, № 4. -С. 17-23.
8. Матвеев О.П., Фискинд Е.Э. Использование компьютеризированной установки для проведения учебного исследования по оптике // Физическое образование в вузах. - 2011. - Т. 17, № 2. - С. 90-96.
9. Назаров А.И. Возможности программной среды Moodle в реализации принципа модульного обучения // Физическое образование в вузах. - 2011. - Т. 17, № 4. - С. 86-91.
10. Третьякова О.Н. Применение элементов дистанционного обучения в системе дифференцированного обучения студентов технических вузов // Физическое образование в вузах. -2013. - Т. 19, № 1. - С. 105-115.
11. Ханнанов Н.К., Варламов Н.В., Чайковский К.Г. Сравнительный анализ электронных изданий для подготовки к ЕГЭ по физике // Физика в школе. - 2013. - № 1. - С. 8-11.
12. GetaClass: Smart. Онлайн-тренажер по физике нового формата [Электронный ресурс]. - URL: https://smart.getaclass.ru (дата обращения: 30.04.2019).
