Модульный подход к обучению студентов организации проблемного физического эксперимента в школе Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

130

Инновации в образовании Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 5 (2), с. 130-132

УДК 371.3

МОДУЛЬНЫЙ ПОДХОД К ОБУЧЕНИЮ СТУДЕНТОВ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОБЛЕМНОГО ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ШКОЛЕ

© 2013 г. А.А. Марко

Пензенский госуниверситет marko_anton@mail. т

Поступила в редакцию 12.06.2013

Обсуждаются проблемы методики и техники школьного физического эксперимента в связи с требованиями новых федеральных образовательных стандартов. Проводится анализ современного состояния школьного физического оборудования в рамках модернизации и предлагается инновационный модульный курс по методике физического эксперимента на базе цифровых измерительных систем.

Ключевые слова: демонстрационный эксперимент, цифровые измерительные системы, датчики фи-

зических величин.

Введение образовательных стандартов нового поколения в старшей школе требует принципиально нового подхода к организации урока физики, особенно в профильных классах. Программа модернизации российских школ направлена на оснащение кабинетов физики оборудованием нового поколения. Особенностью оснащения современного кабинета физики является наличие измерительного комплекса «Аналогово-цифровой преобразователь - система датчиков физических величин», позволяющего перевести на новый качественный уровень классический демонстрационный и лабораторный эксперимент, а также расширить коллекцию школьного физического эксперимента. Особенности инновационного демонстрационного эксперимента можно определить трендом в сторону упрощения экспериментальной установки и ее приближения к реальной ситуации, доступной учащемуся для наблюдения вне кабинета физики. В то же время система датчиков физических величин, коммутируемых с персональным компьютером, и программное обеспечение позволяют учителю получать в короткие сроки систему количественных характеристик даже из элементарного эксперимента. Полноценное использование всего функционала рабочего места учителя физики должно сделать урок динамичным, нацеленным на достижение основных результатов ФГОС.

Достижение поставленной цели возможно через решение системы последовательных взаимосвязанных задач:

1) изучение функциональных возможностей цифровых измерительных комплексов кабинета физики;

2) оснащение базовых школ комплектами современного оборудовани;

3) разработка методики проведения школьного физического эксперимента на базе цифровой лаборатори;

4) реализация «пилотных» проектов по организации образовательного процесса в школах и переподготовке учителе;

5) корректировка комплектации кабинета физики и предложенных методик;

6) реализация инновационного образовательного процесса.

Однако реальная ситуация в силу объективных и субъективных причин требует форсированного решения ряда задач. Модернизация началась с оснащения школьных кабинетов физики цифровыми лабораториями на конкурсной основе, что привело к использованию различных по функционалу и по цене комплектов. Например, в Пензенской области распространены три вида комплектов: «L-mikro», «VERNIER», «CASIO». Указанные комплексы принципиально различаются аналоговоцифровыми преобразователями и их интеграцией с персональным компьютером и другими современными техническими средствами. Разнообразие комплектов и трудность их совместного использования создают препятствия к активному внедрению инновационного эксперимента в школе.

Оснащение школ оборудованием, отвечающим требованиям современного стандарта, -это необходимый, но лишь малый шаг на пути к решению задач преподавания физики в рамках реализации стандартов. Мониторинг организации учебного процесса в школах города и обла-

сти указывает на отсутствие качественного изменения школьного физического эксперимента. Причина данной ситуации заключается в отсутствии частных методик структурирования урока с использованием физического эксперимента нового поколения, а также слабыми навыками постановки эксперимента как практикующими учителями, так и студентами, обучающимися по направлению подготовки «Педагогическое образование» (профиль «Физика»). Несмотря на единство целей, для учителя и студента сложности внедрения оборудования в учебный процесс принципиально различаются. Опытные учителя физики владеют широким арсеналом физических демонстраций с использованием традиционного оборудования и скептически относятся к цифровым лабораториям, аргументируя свою точку зрения низкой «учебностью» демонстраций. Однако необходимо признать и тот факт, что мир, окружающий современного ребенка, существенно изменился и измерение промежутка времени электронным секундомером гораздо ближе современному школьнику, нежели измерение посредством метронома. Студенты старших курсов и выпускники склонны подменять натурный эксперимент виртуальным, обосновывая это стремлением активно использовать на уроке информационные технологии. Решение проблемы целесообразного сочетания технологии организации классического эксперимента и инновационных подходов к использованию цифровых лабораторий на уроке физики возможно посредством внедрения спецкурсов по методике и технике школьного физического эксперимента.

Содержание и структура занятий с педагогами и студентами определяются идеями компе-тентностного подхода. Стартовый модуль курсов знакомит слушателей с принципами работы систем сбора данных, возможностями программного обеспечения и его интеграции с техническими средствами обучения, а также с физическими принципами функционирования датчиков физических величин. Данный модуль необходим в связи с тем, что методика обработки результатов физического эксперимента принципиально меняется. Системы сбора данных передают информацию о физических величинах в различных форматах (таблицы, графики, диаграммы). Интерфейс многих программных средств интуитивно не ясен, что создает трудности при самостоятельном освоении программного продукта. Использование учебников и методических рекомендаций в рамках модуля не дает желаемого результата в силу специфики формирования навыков работы с электронными

ресурсами. Большей эффективностью в данном случае обладают практические занятия-тренинги. К числу заданий, выполняемых на таких тренингах, можно отнести обработку результатов эксперимента с определением значений измеряемых величин, построением графиков, масштабированием графиков, расчетом статистических параметров эксперимента. Данный модуль также формирует компоненты информационной компетентности учителя-предметника в направлении полноценного владения компьютерными приложениями для решения учебных задач.

Модуль погружения организован в форме двусторонней дискуссии о реализации принципов физических демонстраций, проведенных традиционно и инновационно. Подбор проблемных экспериментов позволяет прогнозировать общее резюме слушателей, имеющих разные стартовые убеждения, о целесообразности использования цифровых измерительных систем, о неоспоримых достоинствах цифровых измерительных систем и формировании частных методик. В качестве примера демонстрационного эксперимента можно предложить классический опыт по введению понятия самоиндукции. Демонстрация предполагает наблюдение процесса включения двух одинаковых ламп накаливания, включенных параллельно друг другу. Последовательно с одной из ламп включается реостат, со второй - дроссельная катушка. При замыкании цепи лампа в ветви с катушкой загорается значительно (на 0.5-1 с) позже. В большинстве учебников для объяснения данного эффекта используются графики временной зависимости силы тока, протекающего через лампы [1]. Важно, что данные зависимости принимаются учениками на веру, в силу невозможности их экспериментального получения без измерительной системы, способной выполнить несколько десятков замеров в секунду. Цифровой измерительный комплекс прекрасно решает эту проблему, и параллельно с демонстрацией ученики получают временные зависимости тока, доступные для дальнейшего анализа и исследования. Ярким примером перехода от чисто качественного эксперимента к постановке серьезной экспериментальной задачи является эксперимент по наблюдению ускоренного движения полосового магнита сквозь плоскость катушки-мотка. Возможность реализации эксперимента на базе EA-200 (CASЮ) [2] переводит эксперимент из разряда мысленного в демонстрацию с количественным результатом явления электромагнитной индукции, наглядной иллюстрации правила Ленца и т.д.

132

А.А. Марко

Основной блок формирования ключевых компетенций - это выполнение проектов по разработке фрагментов уроков с использованием экспериментов на базе цифровых измерительных систем. Тематика проектов определяется необходимостью формирования представлений слушателей о возможностях всех систем сбора данных и датчиков. Традиционно начало модуля проводится на базе компьютеризированного практикума для школьников «Научные развлечения». Описания работ практикума выполнены для учащихся физико-математических классов, что позволяет обеспечить максимально самостоятельный уровень работ как педагогов, так и студентов. Данная работа позволит сформировать основные представления о специфике проведения экспериментов на базе систем сбора данных и сформирует банк возможных экспериментов. Второй частью модуля является проектирование эксперимента с использованием различных цифровых измерительных систем. Можно выделить два уровня проектов.

Базовый уровень проектов определяется работами слушателей, в которых реализована идея расширения возможностей классического эксперимента средствами системы датчиков физических величин. Ярким примером может служить исследование свободного падения тел с использованием ультразвукового датчика расстояния VERNIER. Положение тела (обычный мяч) фиксируется с точностью до 0.5 мм, что, в свою очередь, позволяет с достаточно большой точностью получать значения мгновенной скорости и ускорения тела. Программная оболочка представляет результаты в графическом виде и обеспечивает возможность всестороннего исследования свободного падения.

Творческий уровень определяется работами, в которых предложены оригинальные авторские решения постановки демонстрационных опытов. В качестве примера можно привести эксперимент по изучению второго закона с использованием беспроводной динамической системы VERNIER. Изюминкой эксперимента является регистрация всего процесса движения тела под действием постоянной силы. Цифровая система сбора данных обеспечивает наглядность постоянства силы и ускорения, не требует изменения величины силы и массы в некоторое целое число раз, существенно сокращает временные затраты на подготовку и проведение эксперимента.

Заключительный модуль - конференция (презентация и защита разработанных слушателями инновационных экспериментов).

Описанная система курсов для учителей физики и студентов Пензенского педагогического института проходит в настоящее время апробацию в Пензенской области. Реализован совместный «пилотный» проект Министерства образования Пензенской области и Пензенского государственного университета по обучению учителей физики области в объеме Зб часов.

Список литературы

1. Шахмаев Н.М., Павлов Н.И. Физический эксперимент в средней школе. В 2 ч. Ч. 1: Пособие для учителя. М.: Мнемозина, 2010. 192 с.

2. Вострокнутов И.Е., Никифоров Г.Г., Никитина Н.С., Андреева Н.В, Орлова Л.С. Лабораторный практикум по физике цифрового измерительного комплекса EA-200 - fx-9860GII. Выпуск 2. Осцилло-графические исследования и акустика I Под ред. И.Е. Вострокнутова, Г.Г. Никифорова. Троицк: Тро-вант, 2011. 56 с.

MODULAR APPROACH TO THE TRAINING OF STUDENTS IN THE ORGANIZATION OF A PROBLEM PHYSICAL EXPERIMENT AT SCHOOL

A.A. Marko

The article discusses the issues concerning the methods and techniques of school physical experiment in connection with the requirements of the new federal education standards. An analysis of the current state of school physical equipment in the context of modernization is given. An innovative modular course on experimental techniques based on digital measurement systems is proposed.

Keywords: demonstration experiment, digital measuring systems, sensors of physical quantities.