CC BY
109УДК 004:53(07) ББК Ч 420.268.43
И.В. Ильин
НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ИКТ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ У УЧАЩИХСЯ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ В КУРСЕ ФИЗИКИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
Ключевые слова : информационно-коммуникационные технологии обучения, компьютерная модель, физико-техническое знание, визуализация знаний, 200М-
презентация.
В статье обсуждается проблема применения ИКТ при формировании у учащихся физикотехнического знания в курсе физики средней школы. Рассматриваются способы представления учебного физико-технического материала в предметной виртуальной среде.
Одним из направлений модернизации российского образования является внедрение в учебный процесс средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), обеспечивающих условия для становления образования нового типа, отвечающего потребностям развития современного общества. В условиях информатизации системы образования является актуальной проблема разработки направлений, методов и приемов применения ИКТ в реализации политехнической направленности обучения физике.
Анализ возможных способов представления учебного материала о технике в предметной виртуальной среде позволяет уточнить направления дальнейшего развития медиатеки виртуальных технических объектов, а также реализовать эффективные методики ее применения в обучении физике. Ресурсы такой медиатеки (интерактивные модели и симуляторы) могут служить вспомогательным средством формировании у учащихся отдельных технических умений.
Компьютерная инфографика. Инфографика - эффективное средство лаконичного, системно организованного и иллюстрированного предъявления информации. Компьютерная инфографика обладает высоким дидактическим потенциалом. В виртуальной среде способы визуализации технических знаний (таблицы, диаграммы и графики, «древовидные» структуры, ментальные карты, формализованные структурные диаграммы, тематические карты, картограммы, комиксы, формализованные и неформализованные блок-схемы и пр.) приобретают интерактивный характер. Они могут быть обогащены эффектами муль-
© Ильин И.В., 2013
тимедиа. Использование интерактивной и мультимедиа-насыщенной инфографики полезно для предъявления учащимся конкретного технического знания.
Особую роль интерактивная инфографика играет в решении задачи систематизации и обобщения конкретных технических знаний. Для визуализация системы знаний о ТО и современной техносфере могут быть использованы различные программные средства (стандартные, специализированные). Полезны в этой связи инструменты для разработки презентаций (MS PP, Adobe Flash и др.).
В нашем исследовании наряду с прочими инструментами использовалась ZOOM-технология (www.prezi.com) визуализации системы технического знания. Визуальноструктурированная в ZOOM-презентации информация о технических объектах, структуре общих технических понятий, компонентах техносферы является эффективным средством наглядного представления системы технических знаний (конкретных, обобщенных). В ZOOM-презентации отчетливо видны связи между элементами системы, по которым можно осуществлять «интерактивное перемещение». Презентация является «насыщенной» объектами мультимедиа, что позволяет сочетать достаточно абстрактный, обобщенный подход к описанию системы технического знания с его конкретизацией. Медиаобъекты (видеофрагменты, анимации, интерактивные модели, а также звуковое сопровождение), включенные в ZOOM-презентацию, не являются внешними по отношению к ней. Они технологически встраиваются в данную среду, что создает необходимое удобство в работе (в особенности на интерактивной доске). Отметим, что среда разработки «ZOOM-презентации» и созданные в ней конкретные учебные материалы являются объектами Глобальной сети.
При разработке ZOOM-презентации должны реализовываться принципы мультимедийного обучения (модальности, смежности, связности, оптимальности темпа и др.) [11; 12]. Данные принципы рассматриваются в нашей работе [5].
Гиперграфика. Гиперграфика (или интерактивная графика) - один из эффективных способов пошагового анализа технического материала. Этот способ полезно применять для представления внешнего вида и устройства технического объекта, демонстрации принципа его работы. Это могут быть многослойные иллюстрации (рис. 1) или иллюстрации с выплывающими дополнительными графическими изображениями, возможен эффект увеличения изучаемой части объекта или выход на микроуровень механизма его работы (рис. 2, 3).
Рис. 1. Традиционный способ представления внешнего вида ЭЛТ (а) и многослойное представление (б) [9]
Рис. 2. Эффекты увеличения изучаемой части объекта, «выхода» на микроуровень механизма его работы (проекты студентов физического факультета ПГГПУ Г.С. Ханзадяна и О.Н. Чурилова)
Для реализации эффектов гиперграфики удобно работать в среде Adobe Flash. Отчасти можно использовать и технологию ZOOM-презентации. Эта технология позволяет учащемуся двигаться в направлении расширения представлений об объекте или изучать его на все более «глубинных» уровнях (рис. 3).
Видеоматериалы. Видеофильмы по технике - классический способ представления информации, используемый уже много лет. Вместе с тем, в настоящее время наблюдается всплеск интереса к разработке видеоматериалов прикладной направленности. В образовательных ресурсах на CD, но большей частью в Интернете (в сетевых видеохранилищах: www.youtube.ru,www.rutube.ru и др.), на каналах Discovery, Science и других, в телепередачах познавательного характера («Как это работает?», «Г алилео», «Как это сделано?» и др.) можно найти разнообразные видеосюжеты, демонстрирующие внешний вид и устройство технических объектов, принцип и механизм их работы, особенности изготовления и эксплуатации, области применения и пр.
Достаточно много видеофильмов, в которых демонстрируются технологические процессы, рассматриваются соответствующие отрасли промышленности, обсуждаются проблемы экологической безопасности производств, влияние техники на социальную среду и т. п. Именно с помощью видеофильмов удается показать учащимся инновационные технические решения и современные направления развития техносферы. В видеофильмах представлены и исторические сюжеты, раскрывающие процесс изобретения и создания первых образцов различных технических устройств, и работа современных научно-технических отделов и конструкторских бюро.
Цифровое видео, в отличие от традиционного, позволяет на текущий реалистичный видеоряд накладывать компьютерную графику, анимацию, включать элементы интерактивности (изменение скорости просмотра, пошаговый просмотр, стоп-кадр, совмещение сюжетов на одном экране и др.). Эти приемы существенно повышают дидактический эффект видеодемонстрации.
Устройство для преобразования механической энергии в электрическую
Рис. 3. ZOOM-презентация «Генератор переменного тока»
(проект студентов физического факультета ПГГПУ)
Видеоматериалы по технике могут быть разработаны как учителем, так и учащимися. Для учащихся это интересная и полезная обучающая практика.
Компьютерные модели. Для оценки разнообразия моделей виртуальной среды по технике целесообразно первоначально рассмотреть их классификацию [1; 2; 7]. Наиболее общая классификация учебных моделей по физике приведена в работе Е.В. Оспеннико-вой [8]. На основе данной классификации в настоящем исследовании разработан видовой состав компьютерных моделей по технике. Ниже приведены виды виртуальных моделей по технике:
I. Компьютерные модели, предназначенные для усвоения «готового» технического знания.
1. Компьютерные демонстрации реальных объектов техники:
а) как средство изучения внешнего вида или устройства ТО (трехмерные модели ТО, созданные в средах 3D Max, Adobe Flash и др.);
б) как средство изучения процесса функционирования ТО (анимация), демонстрации этапов работы его основных частей, последовательности протекания физических процессов в ТО;
в) как средство изучения технологического процесса с применением совокупности
ТО (предъявление технологической линии, последовательности этапов производства, особенностей работы на каждом этапе).
Данный вид моделей не допускает вмешательства пользователя в алгоритм программы и демонстрирует учащимся запрограммированный сценарий.
2. Компьютерные демонстрации идеальных ТО (например, идеальной холодильной машины, идеального теплового двигателя Карно, идеального колебательного контура и др.).
3. Компьютерные симуляторы технической деятельности с объектами или отдельных процедур работы с ТО (производственная и непроизводственная сферы) как средство формирования практических умений и навыков:
а) сборка ТО (интерактивный конструктор);
б) выполнение действий с ТО: освоение правил работы с ТО, отработка навыков (тренажеры).
Эти модели имеют манипуляционно-графический интерфейс. Главное их достоинство состоит в том, что они позволяют отрабатывать навыки сборки и использования технических объектов (инструментов, приборов, машин, сложных технических систем и пр.).
II. Компьютерные модели реальных ТО, предназначенные для формирования начального опыта научно-технического исследования: выявления особенностей работы ТО в различных условиях их эксплуатации (при изменении условий работы, выборе новых параметров работы и др.) (интерактивные лабораторные работы).
Компьютерные модели этого вида как симуляторы учебного технического исследования очень полезны. В них имеется блок ввода данных и обработки результатов, предусмотрена возможность интерактивного управления процессом работы с техническим объектом. Результаты работы с моделью заранее не известны и не очевидны учащимся. Новые технические знания становятся результатом поисковой деятельности. Сложности поиска определяются сложностью модели и уровнем ее интерактивности.
Инструментальные пакеты. С целью приобретения начального опыта технического исследования с применением средств ИКТ учащимся может быть предложена работа с инструментальными средами. Цели работы:
а) моделирование технических объектов и их систем:
• в учебных инструментальных интерактивных средах (Stratum 2000 [6], инструментальная среда «Живая физика» (http://www.int-edu.ru/) и др.;
• с применением специализированных инструментальны пакетов (LabView, Electronics Workbench, МайаЬ, Mathcad и др.);
• с помощью специализированного ПО для создания мультимедиа приложений (3D Max, Adobe Flash и др.);
б) тестирование и отладка разработанной модели ТО;
в) исследование модели ТО (выявление особенностей работы модели в различных условиях, при различных значениях параметров модели и пр.).
Автоматизированный эксперимент. Образовательная робототехника. В настоящее время набирает силу применение средств ИКТ в учебном физическом эксперименте. Возможны частичная или полная автоматизация хода эксперимента (применение информационных измерительных систем для автоматической регистрации данных, автоматизация управления работой экспериментальной установки; компьютерная обработка результатов эксперимента). Оборудование и техника постановки такого эксперимента достаточно сложны, требуют от учащихся дополнительной подготовки, а также работы в условиях опоры на межпредметные знания (физика - информатика). Подготовка и проведение физического эксперимента с применением компьютерной техники и соответствующего программного обеспечения предоставляют возможность совершенствовать технические знания и умения учащихся.
Компьютерная техника и программное обеспечение используются в образовательной робототехнике, которая пока осваивается учителями преимущественно во внеурочной деятельности. Однако ее применение в базовом учебном курсе физики уже рассматривается как актуальная научно-методическая проблема. Имеется соответствующий опыт работы учителей физики [3; 4; 10].
Отметим, что сборка и настройка автоматизированного учебного эксперимента, а также конструирование и программирование роботов для учебного процесса по физике -важные направления политехнической подготовки учащихся по предмету.
Поставленная в настоящем исследовании проблема обучения студентов педагогического вуза формированию у учащихся технического знания на метауровне его обобщения (системы метатехнического знания) в учебном процессе по физике является актуальной на современном этапе развития общества. Ее решение предполагает подготовку учителя к формированию у учащихся метатехнических знаний, рациональному выбору и реализации вариативных практик обучения, рациональному использованию имеющихся и разработке авторских учебных материалов по вопросам прикладной направленности.
Сформулируем основные выводы относительно состояния проблемы применения средств ИКТ при изучении вопросов прикладной физики в средней общеобразовательной школе.
1. За последние два десятилетия накоплен преимущественно практический опыт использования средств ИКТ в организации учебного процесса по физике. Информация по вопросам прикладной физики в электронных образовательных ресурсах (ЭОР) пока не слишком отличается от содержания традиционных учебных пособий. Большинство ЭОР, как правило, дублирует учебную информацию полиграфических учебных пособий. Современная техника и технологии ее производства представлены в ЭОР в ограниченном объеме. Содержание технической информации в учебной виртуальной среде не отличается необходимой полнотой. Остро стоит проблема систематизации и обобщения технического знания. Практически не используются способы визуализации системы знаний о технике. Мало информации обобщающего характера (о структуре современной техносферы, закономерностях ее развития, общих проблемах технической деятельности общества).
2. Несмотря на растущий практический интерес учителей и методистов к применению средств ИКТ, в практике школьного обучения методы и средства организации работы школьников по изучению техники остаются весьма традиционными. Это в известной мере есть следствие состояния исследования данной проблемы в науке. К тому же, в явном виде обнаруживает себя проблема ограниченности специализированных ресурсов по технике учебного назначения.
3. В настоящее время становится актуальным наполнение виртуальной образовательной среды учебной информацией по прикладной физике. К сожалению, большую часть медиаформатов в современных ЦОР составляют статические объекты, реже - анимации и интерактивные модели. Эффективность использования ЭОР при рассмотрении вопросов прикладной физики может быть достигнута только за счет широкого применения всего комплекса функций виртуальной среды (мультимедиа, моделинг, интерактивность, интеллектуальность, производительность, коммуникативность) в представлении технического знания и моделей технической деятельности.
4. Есть основания считать, что материалы по вопросам прикладной физики в виртуальной среде должны использоваться в учебном процессе не только с целью демонстрации физических основ работы отдельных технических объектов. Их назначение, в том числе, состоит и в создании у учащихся системных и обобщенных представлений о современной техносфере и роли физики в ее развитии. Цифровые ресурсы по технике призваны обеспечить подготовку учащихся к отдельным видам технической деятельности, создать условия для формирования у них представлений о нормах и моделях технического поведения и деятельности.
Список литературы
1. Бабина С.Н. Интеграция технологического и физического образования учащихся школ (научнометодические основы и педагогический опыт реализации): моногр. - М.: Прометей МПГУ, 2002. - 320 с.
2. Баяндин Д.В. Моделирующие системы как средство развития информационно-образовательной среды (на примере предметной области физика). - Пермь: Изд-во ПГТУ, 2007. - 330 с.
3. Белиовская Л.Г. Программируем микрокомпьютер NXT в LabVIEW. - М.: ДМК Пресс, 2010. -
279 с.
4. Ершов М.Г. Использование робототехники в преподавании физики // Вестник ПГПУ. Сер. «ИКТ в образовании». - 2012. - Вып.8. - с. 77- 85.
5. Ильин И.В., Печеный А.П. Применение принципов мультимедийного обучения при создании насыщенных zoom-презентаций // Материалы международной научно-практической конференции «Информатизация образования - 2011», ЕГУ им. И. А. Бунина: - Елец, 2011. - Т.1.- С. 156-160.
6. Инструментальная среда «Stratum 2000» [Электронный ресурс]. - URL:
http://stratum.pstu.ac.ru/rus/products/vphysics/page2.html#m2.
7. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В., Виды компьютерных моделей и направления использования в обучении физике // Вестник Томского государственного педагогического университета. - 2010. - № 4. - С. 118-124.
8. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: методическое пособие. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 655 С.
9. Печеный А.П. Состав и содержание инструментов «насыщенной» презентации для использования на интерактивной доске // Вестник ПГПУ. Сер. «ИКТ в образовании». - 2009. - Вып.5. - С. 34-48.
10.Халамов В.Н. Образовательная робототехника во внеурочной деятельности: уч.-метод. пособие.
- Челябинск: Взгляд, 2011. - 96 с.
11. Mayer R., Moreno R. A Cognitive Theory of Multimedia Learning: Implications for Design Principles.
- [S.L.], 1998.
12.Mayer R., Moreno, R. Cognitive principles of Multimedia Learning: The role of modality and contiguity. Journal of Educational Psychology 91. - [S.L.], 1999. - с. 358-368.
