CC BY
84
УДК 372.016:53
Ларченкова Людмила Анатольевна
Канд. пед. наук, доцент, доцент кафедры методики обучения физике РГПУ им. А. И. Герцена, larludmila@yandex.ru, Санкт-Петербург
МЕТОДИКА ОРГАНИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ ДЕяТЕЛЬНОСТИ учащихся по физике НА ОСНОВЕ ЦИФРОВЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ
Аннотация. Обсуждаются возможности применения именно готовых компьютерных моделей для организации учебно-исследовательской деятельности учащихся на уроках физики.
Ключевые слова: компьютерные модели, учебное исследование, физические задачи, урок физики
Larchenkova Lyudmila Anatolievna
Ph.D., Docent, The Herzen State Pedagogical University of Russia, larludmila@yandex.ru, St.-Petersburg
METHODS OF ORGANIzATION OF RESEARCH STUDENTS IN PHYSICS WITH HELP OF DIGITAL EDUCATIONAL RESOURCES
Abstract. This article discusses about capabilities of using ready-made computer models for the organization of teaching and research activities of students in physics classes.
Keywords: computer models, educational research, physical problems, the lesson of physics
Бурное развитие компьютерной техники, информационных технологий, создание цифровых образовательных ресурсов не могло не отразиться на организации современного образовательного процесса в средней школе.
В практике массового обучения больше всего используются уже готовые компьютерные средства, которые предлагаются учащимся и учителям разными разработчиками. В настоящее время в Интернете размещено огромное количество ресурсов по физике, в сети можно найти подходящие материалы практически к любой школьной теме по физике. Это учебники, статьи, иллюстрации, фотографии, задачи, тесты, анимации, видео, компьютерные программы, готовые презентации к урокам и т.д.
Большинство представленных материалов применяется как заменитель традиционных дидактических средств, упор делается на наглядность, которая может быть реализована весьма эффектно, особенно в тех вопросах и темах, демонстрация которых в школьных условиях затруднена или невозможна вовсе как по техническим, так и по принципиальным причинам [8]. К сожале-
нию, часто обучение этим и ограничивается, поскольку предлагаемые готовые программы, в основном, являются информационными или демонстрационными, но эффектная демонстрация еще не является гарантией эффективного обучения.
В связи с этим, как не вспомнить слова Л. С. Выготского: «Наглядность, создавая наиболее легкий и удобный путь для усвоения знаний, вместе с тем в корне парализует привычку к самостоятельному мышлению, снимает с ребенка эту заботу и сознательно устраняет из воспитания все моменты сложной переработки опыта, требуя, чтобы все нужное преподносилось ученику в расчлененном, разжеванном и переваренном виде. Между тем необходимо позаботиться именно о создании наибольшего числа затруднений в воспитании ребенка как отправных точек для его мыслей» [1, с. 208]. Поэтому, при использовании ИКТ в образовательном процессе, следует помнить об опасности остановиться только на формировании зрительного ряда, который при длительном и пассивном употреблении превращается в малоинформативный фон, который ничего не дает учащимся, если они лишены воз-
можности осуществлять «реальное моделирование в материале»[7].
Внедрение электронно-вычислительной техники в учебный процесс может повысить научный уровень изучаемого материала и помочь значительно раньше - уже на школьном уровне - осваивать современную методологию научного исследования. Развитие исследовательских умений - настоятельное требование времени, которое прописано как обязательное в государственных стандартах образования по физике. Возможности повышения научного уровня обучения физике уже в средней школе с помощью современных информационных технологий являются предметом методических исследований на кафедре МОФ РГПУ им. А. И. Герцена, которые проводятся в нескольких направлениях:
• адаптация математического моделирования для учебно-исследовательской деятельности, вне зависимости от доступности учащимся соответствующих математических средств [5; 6].
• автоматизация сбора и обработки экспериментальных данных, в том числе разработка методики применения информационных средств для прогнозирования точности натурного эксперимента, что позволяет расширить спектр применения компьютера в обучении физике в средней школе [4].
Следует отметить, что при всей содержательной доступности школьникам и чрезвычайной значимости и полезности предлагаемых методик их применение в рамках уроках зачастую ограничено из-за временных факторов. Совершенно очевидно, что осуществить настоящее полноценное исследование, да еще и учащимися в самостоятельном режиме, за ограниченное время урока невозможно. Обычно проблема решается тремя основными путями:
• Исследовательская деятельность организуется за пределами урока в виде учебных исследований учащихся
• Имитация исследовательской деятельности ученых на значительно упрощенном содержании
• Обучение элементам исследовательской деятельности.
Организовать во время урока обучение элементам исследовательской деятельности на основе ИКТ вполне реально. В связи с этим весьма актуальными являются вопро-
сы включения в урок физики разных форм компьютерного моделирования реальных процессов и явлений, которое при этом трактуется достаточно широко - от построения физической и математической моделей явления и проведения компьютерных расчетов, до более простого варианта - изучения поведения готовых компьютерных моделей.
Проведенный методический анализ возможностей готовых компьютерных моделей показал, что на уроках физики для формирования у учащихся элементов исследовательской деятельности наибольший эффект дает их сочетание с задачным подходом, что определяется сущностью исследовательского метода в обучении, который представляет собой организацию поисковой творческой деятельности для решения новых для учащихся проблем и задач.
Суть такого подхода заключается в том, чтобы формулировка физической задачи, как построение физической модели явления, и ее решение, как построение и анализ математической модели явления, с необходимостью возникали в ходе анализа поведения компьютерной модели. При этом разные модели будут иметь разные дидактические возможности при осуществлении тех или иных этапов исследования, поэтому следует отчетливо понимать, формированию какого из них отдается приоритет при использовании конкретной компьютерной модели.
Приведем некоторые примеры реализации этой идеи в применении к наиболее распространенным компьютерным моделям - из программы «Открытая физика» и опубликованным для свободного доступа на сайте.
Пример 1. Модель «Движение по наклонной плоскости».
Модель позволяет менять такие параметры, как коэффициент трения, масса тела, угол наклона наклонной плоскости, величину прикладываемой к телу силы (рис. 1). Изменение параметров при нажатии кнопки «Старт» отражается на движении тела по наклонной плоскости, сразу же вычисляется значение ускорения, величина силы реакции опоры и величина силы трения.
Поскольку модель отображает результаты решения типовых задач по динамике, то ее можно использовать для проверки правильности полученных ответов при реше-
нии таких задач. Но более интересно и целесообразно применить ее для небольшого учебного исследования, и при этом акцентировать внимание учащихся на таком его этапе как постановка проблемы. Это можно сделать следующим образом. Перед началом работы с моделью учащимся задается вопрос: «Как вы думаете, будет ли меняться сила трения, если увеличивать угол наклона доски к горизонту? Если да, то как?» Возможные ответы учащихся, чаще всего, бывают однозначными - возрастает или убывает. Проверку предположения проводят с помощью модели, и обнаруживают, что при увеличении угла наклона сила трения сначала возрастает (что соответствует состоянию покоя тела на наклонной плоскости), а затем убывает (при этом модель отражает движение тела по наклонной плоскости). Следовательно, должно быть некоторое максимальное значение силы трения. Каково оно, от чего зависит - это тоже предмет для последующего исследования.
С 20 10- ^,Н М и, с
-20 -10 1 -ю- ■20- 1 10 20
^=-1.7Н ЛГ=1Э.5Н а =0.0 м/с2 Н°.4 1В т= |2.о |Э ьа- а = и-
I СтаРт I -11° И Н
Рис.
Таким образом, последовательность действий на уроке может быть такой:
• «поиграть» с моделью, выяснить назначение кнопок. Практика преподавания показывает, что школьнику сама по себе компьютерная модель может быть интересна в течение короткого времени (3-5 минут), только пока изучаются и опробуются ее настройки, затем интерес пропадает [9], если такая деятельность не наполнена физическим содержанием. Тем не менее, этот этап - этап ознакомления с компьютерной моделью - необходим, и должен быть пред-
усмотрен учителем при планировании хода урока.
• выяснить характер зависимости силы трения от угла а (задать значения т, д, при внешней силе, равной нулю, и меняя а, измерять силу трения);
• составить таблицу значений а и Fтр ;
• построить график Fтр(а);
• объяснить теоретически полученную закономерность.
Разные группы учащихся выполняют эксперимент при различных комбинациях т и ц, результаты демонстрируют. Одинаковый характер зависимости, полученной при различных парах значений ^ и т, свидетельствует о найденной закономерности, которая нуждается в теоретическом обосновании.
Чтобы получить точное значение угла а, при котором сила трения достигает максимального значения, полученные результаты нужно качественно описать и теоретически интерпретировать.
Пока тело покоится на наклонной плоскости, на него действует сила трения покоя, равная по величине модулю проекции силы тяжести на наклонную плоскость.
^рИ1 = Ш9 5ШН
Как только тело начинает двигаться, становится справедливым закон Кулона-Амон-тона, и сила трения скольжения зависит не от синуса, а от косинуса угла, о; = }>™-9 С03 н
Построив графики, получаем их точку пересечения, а приравняв выражения для силы трения покоя и силы трения скольжения, находим искомый угол.
«ч> =
Кстати, весьма полезно построить не только «вручную», схематично общий вид этих графиков, но и более точно, с помощью какой-либо программы, например МаЫ1аЬ (рис. 2), тем более что в некоторых учебных пособиях он изображается неверно [2].
Таким образом, в результате небольшого учебного исследования учащиеся получают значимый результат, который может быть подтвержден и в натурном эксперименте, и широко использоваться при решении других задач уже в готовом виде.
Пример 2. Модель «Термодинамические циклы»
Модель представляет собой диаграмму замкнутого цикла, изображенную в осях (р,У). Вид циклического процесса и его размеры можно менять. При этом автоматически вычисляется работа газа за цикл и КПД (рис.3).
Рис. 3.
Порядок действий на уроке может быть следующим. Для начала учащимся предлагается «поиграть» с моделью и понаблюдать, как меняется КПД цикла при различных изменениях параметров.
Затем задание конкретизируется: предлагается выбрать треугольный цикл и расположить его по-разному на предложенной координатной плоскости (рис. 4, 5). Модель предлагает три варианта расположения треугольника на плоскости.
ГглПа е А АП
л
го е? $
1 ГУ* с & г ^
1 1Л) 1111 -X ■ 1 т л
а = о.оа кДж ш = о.ао кДж £} = ПМЬДж Т] (1Ш 1 Стзот 1
Рис.4
При этом площадь цикла должна быть одинаковой во всех трех случаях. Разные
группы учащихся могут выбрать треугольные циклы разной площади и расположить их между различными значениями давлений и объемов. Удобно, если трем группам даны одинаковые циклы, ориентированные на координатной плоскости так, как в данной модели. В результате выполнения этого задания возникает проблема: «Почему одинаковые по площади циклические процессы имеют разный КПД?»
Р, кПа
^ дм3
0 1. 0 0 2. 0
А = 0.00 кДж А1/ = 0.00 кДж <2 = 0.00 кДж т\ = 0.09
2 АШ
0
го
га
(* I?
г ■ча
|_£1арт |
I Сброс |
Рис. 5
Ответы, полученные с помощью модели, нуждаются в теоретическом обосновании. Например, предлагается рассчитать КПД теоретически, но учитывая не конкретные значения давления и объема, а их кратные соотношения. Кратность соотношений давлений и объемов можно менять, например, рассчитать КПД цикла, учитывая что р2=2р1, а У2=4УГ Таким образом, при организации учебного исследования на основе этой компьютерной модели акцент переносится на построение и исследование математической модели процесса.
Пример 3. Модель «Относительность движения. Переправа».
В представленной модели можно менять координаты места старта лодки, величину и направление ее скорости относительно воды, скорость течения. При нажатии кнопки «Старт» строится траектория движения лодки относительно земли и измеряются координаты места причаливания к противоположному берегу (рис. 6). Ситуация сама по себе достаточно понятная, жизненная и очевидная для учащихся, а поэтому обладает большой наглядностью. Этим фактором
Рис. 6.
нужно обязательно воспользоваться для того, чтобы более глубоко исследовать этот вопрос, развить и закрепить представления об относительности движения.
Порядок работы с моделью в этом случае должен быть следующим.
Вначале учащимся предлагается «поиграть с моделью», моделируя ситуации, описанные в большинстве учебников и являющиеся предметом рассмотрения в типовых физических задачах. Затем, задавая скорость лодки относительно воды больше скорости течения, предлагается выяснить, от чего зависит расстояние, на которое сносит лодку вниз по течению. После этого выясняется условие, при котором можно переправиться на противоположный берег без снесения вниз по течению, и делается вывод: скорость лодки относительно воды должна быть больше скорости течения. Затем можно приступить к решению типовых задач, сосредоточившись на физике явления, а проверку полученных численных результатов также можно проделать с помощью модели.
На следующем этапе учащимся предлагается на модели путем подбора найти угол -курс, который нужно держать, чтобы при скорости течения, большей, чем скорость лодки относительно воды снос был наименьшим, и измерить это смещение. Обычно эту задачу решают в классах с углубленным изучением предмета, но после работы с моделью можно сделать важные вывод и без математических выкладок: при большой скорости течения переправа без сноса невозможна, можно только его минимизировать. Найти аналитическое (геометрическое) ре-
шение этой задачи в обычных классах можно предложить желающим в качестве домашней работы.
Таким образом, данная модель позволяет акцентировать внимание учащихся именно на закономерностях протекания явления, а в сочетании с решением задач, требующих применения закона сложения скоростей, отработать «технические» навыки, необходимые для применения принципа относительности в других ситуациях.
Аналогично можно организовать небольшие исследования прямо во время урока, не нарушая его логику и программные требования, на основе и других компьютерных моделей. Можно сформулировать ключевые правила проведения такой работы:
• Учебное исследование - это не лабораторная работа, поэтому обязательно должно содержать элемент новизны для учащихся;
• Наибольший эффект дает сочетание исследования поведения компьютерной модели и решения физических задач, при этом важно, чтобы компьютерная модель использовалась в большей степени для постановки новых вопросов и проблем, решаемых с помощью физических задач, и только затем для проверки правильности ответов.
• В рамках урока невозможно осуществить полное исследование явления, не упрощая его и обесценивая, поэтому предпочтение следует отдавать правильной расстановке акцентов на тех этапах исследования, которые отражаются с помощью конкретной компьютерной модели наиболее ярко и эффектно.
Библиографический список
1. Выготский Л. С. Педагогическая психология / под ред. В. В. Давыдова. - М., 2008. - С. 208.
2. Гринченко Б. И. Как решать задачи по физике (Школьный курс физики в задачах). - СПб, НПО «Мир и семья-95», «Интерлайн», 2000. -С. 60.
3. Кавтрев А. Ф. Компьютерные модели в школьном курсе физики // Компьютерные инструменты в образовании. - 1998. - № 2. - С. 41-47.
4. Кондратьев А. С., Ларченкова Л. А. Методика проведения, обработки и анализа результатов физического эксперимента с применением
инструментальных пакетов // Компьютерные инструменты в образовании. - 2008. - №3. -С. 34-38.
5. Кондратьев А. С., Ляпцев А. В. Физика. Задачи на компьютере. - М.: Физматлит, 2008.
6. Кондратьев А. С., Прияткин Н. А. Современные технологии обучения физике: учеб. пособие. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2006.
7. Львовский В. А. Обеспечивают ли компьютерные модели новое качество образования / Современная дидактика и качество образования: проблемы и решения новой школы: материалы научно-методической конференции / под ред. П. А. Сергоманова, И. Г. Литвинской, М. В. Ми-новой. - Красноярск, 2010. - 136 с.
8. Фрадкин В. Е. Методические основы использования ИКТ в обучении физике / ИКТ в предметной области. Часть V. Физика: Методические рекомендации / под ред. В.Е.Фрадкина. -СПб, ГОУ ДПО ЦПКС СПБ «Региональный центр оценки качества образования и информационных технологий», 2010. - С. 6-20.
