Обучение учащихся решению физических задач в условиях ИКТ-насыщенной среды Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

ПОДГОТОВКА ПЕДАГОГИЧЕСКИХ КАДРОВ К ПРИМЕНЕНИЮ ИКТ В ОБРАЗОВАНИИ

А.А. Оспенников

ОБУЧЕНИЕ УЧАЩИХСЯ РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В УСЛОВИЯХ ИКТ-НАСЫЩЕННОЙ СРЕДЫ

В статье рассматривается одно из направлений подготовки учащихся средней школы по физике: формирование обобщенных умений и навыков в решении физических задач с использованием ресурсов и инструментов виртуальной образовательной среды. Обсуждается влияние средств ИКТ на развитие системы методов решения задач, которыми должны овладеть учащиеся средней школы, и совершенствование средств и технологий обучения школьников этой деятельности.

Последние два десятилетия развитие системы отечественного образования связано с непрерывным совершенствованием оснащения средних общеобразовательных школ современной компьютерной техникой, наполнением виртуальной информационной среды учебными ресурсами и инструментами, становлением и развитием системы образовательных телекоммуникаций. Сегодня практически нет барьеров на пути информатизации учебного процесса: компьютерные технологии "созрели" и "ждут" своего использования. Проблема состоит в том, что в этом направлении может предложить современному учителю физики педагогическая наука?

Информационные технологии видоизменяют и профессиональную деятельность педагога, и учебную деятельность школьника. Виды деятельности учителя и учащегося разнообразны, и каждый из этих видов несет в себе собственный потенциал "информатизации". Возникает вопрос: До какой степени это потенциал может и должен быть реализован? Это определяется: во-первых, целесообразностью "информатизации" каждого отдельного вида деятельности (ожидаемым эффектом роста ее качества); во-вторых, наличием поддерживающих

данный вид деятельности ресурсов и инструментов виртуальной среды; в-третьих, уровнем готовности учителя и учащихся к использованию информационных технологий в рамках данной деятельности. В связи с этим обсудим систему средств информационных и коммуникационных технологий обучения, обеспечивающих "информатизацию" учебной деятельности школьников, и оценим возможности ее использования на лабораторных занятиях по физике и при подготовке к ним.

Сегодня можно говорить о новой информационной инфраструктуре учебного процесса по физике, которая по мере технического прогресса будет продолжать совершенствоваться. Под ИКТ-инфра-структурой учебного процесса будем понимать систему аппаратных средств, учебных объектов и инструментов учебной деятельности виртуальной среды обучения. Рассмотрим содержание основных блоков ИКТ-инфраструктуры предметной учебной среды, которые могут и должны будут в ближайшей перспективе использоваться каждым учителем физики:

I) аппаратная техника и инструменты для ввода информации: цифровая

видеокамера, цифровой фотоаппарат, цифровой микроскоп, сканер, диктофон,

© Оспенников А.А., 2008

планшет, система цифровых измерителей (датчиков и ПО) для автоматизированного эксперимента, системы глобального позиционирования (GPS), инструменты распознавания устной речи;

2) устройства и инструменты представления, обработки и передачи информации: персональный компьютер, наладонный (карманный) компьютер, цифровой проектор; интерактивные доски; коммуникатор; “шлем” (и перчатки) виртуальной реальности; множительная техника (принтер, копир или ризограф); ПО для сетевых образовательных коммуникаций (оболочки ДО, конструкторы сайтов, системы почтовой связи);

3) информационные источники (цифровой образовательный контент):

- ЦОР - цифровые образовательные ресурсы к действующим учебнометодическим комплектам по предмету; ориентированы преимущественно на поддержку традиционного образовательного процесса средствами ИКТ;

- ИИСС - информационные источники сложной структуры (цифровые музеи, библиотеки, энциклопедии, коллекции и пр.); предназначены для поддержки традиционного образовательного процесса средствами ИКТ, при этом включают и инновационные технологии организации работы учащихся с учебной информацией;

- ИУМК - инновационные учебнометодические комплексы; обеспечивают организацию учебного процесса по образовательной области (предмету, курсу, теме) в полном объеме, ориентированы на обновление видов, методов и форм учебной деятельности школьников, определяют достижение на этой основе качественно новых образовательных результатов;

- образовательные ресурсы локальной школьной сети, ресурсы порталов и сайтов Интернета;

4) инструменты учебной деятельности: виртуальные лаборатории; моделирующие среды; определители и классификаторы; телеметрические системы; геоинформа-ционные системы; системы автоматизированного проектирования (САПР); ПО для

редактирования и обработки информации (числовых данных, текста, аудио, видео); ПО для подготовки презентаций; тренажеры; системы самоконтроля знаний и умений, включая системы тестирования;

5) системы и средства поддержки организации образовательного процесса: планирования учебного процесса, организации и поддержки образовательного процесса, управления образовательным учреждением, управления образованием для муниципальных органов.

Обучение при таком техническом и информационном обеспечении, безусловно, преобразуется. Школьники получают несравненно большие возможности для самостоятельной учебной работы. Они могут: использовать ИКТ-ресурсы и инструменты для различных способов работы с "готовой" учебной информацией; исследовать реальный мир; быстро собирать, пользуясь разнообразными способами фиксации данные, и качественно обрабатывать их с помощью компьютера; делать заключения на основе собранной информации; моделировать изучаемые явления, используя цифровые лаборатории и инструментальные среды; выдвигать и проверять учебные гипотезы; создавать, представлять и защищать разработки, демонстрирующие результаты их учебной деятельности. Работа с новой техникой и новой информацией, выходящей за рамки школьного учебника, вызывают у учащихся естественное любопытство и интерес, стимулируют их включение в самостоятельное исследование окружающей среды. Многообразие компьютерной техники и ПО, желание освоить новые технологии в учебной практике создают благоприятные условия для формирования у учащихся умения работать в команде, добиваться глубокого осмысления поставленных перед ними задач, стремиться к масштабной разработке соответствующих учебных проектов и поиску интересных форматов представления результатов коллективной деятельности.

Виртуальная образовательная среда в составе ее учебных объектов и инструментов

познания является эффективным обучающим ресурсом, дидактический потенциал которого еще не до конца изучен и освоен в массовой педагогической практике. Области исследования проблемы применения средств ИКТ в преподавании чрезвычайно разнообразны. Одна из них - методика обучения учащихся решению задач в условиях активного использования информационных и коммуникационных технологий организации учебной деятельности.

Освоение методов решения физических задач - важнейшее направление предметной подготовки учащихся средней общеобразовательной школы. Умения и навыки решения задач являются показателем полноты и глубины предметных знаний, их системности и прочности, демонстрируют уровень способностей учащихся к самостоятельному познанию и отражают степень их готовность к творческому поиску при изучении явлений природы.

Методы познания, в том числе и методы решения физических задач, находятся в постоянном развитии. В условиях внедрения в практику научных исследований компьютерных технологий организации научной деятельности технологический "инструментарий" познания существенно обновился. В настоящее время для объяснения и предсказания явлений природы (включая получение как качественных, так и количественных результатов) весьма эффективно используются стандартные и специальные компьютерные программы (Microsoft Excel, Mathcad, Maple, Grapher, MatLab, Mathematica и др.). Направления использования программного обеспечения к ЭВМ в решении задач разнообразны. Это:

1) программное обеспечение выполнения расчетов и исследования результатов решения физических задач;

2) использование инструментальных компьютерных сред для построения моделей физических объектов и изучения особенностей их поведения в различных условиях;

3) применение телеметрических методов анализа физических ситуаций при решении экспериментальных задач;

4) использование в решении задач экспертных компьютерных систем.

Все это не может не найти отражения в содержании школьного обучения. Очевидно, что наряду с классическими методами решения физических задач учащиеся средней школы должны осваивать новые технологические методы и приемы. Необходимо продемонстрировать школьникам эффективность названных выше способов решения, познакомить с содержанием данных способов и обучить простейшим правилам и приемам применения.

Новые информационные технологии видоизменяют не только методы решения задач, но и оказывают существенное влияние на совершенствование системы средств обучения школьников этой деятельности. На образовательном рынке России появились разнообразные цифровые учебные материалы, ориентированные на формирование и отработку у учащихся умений и навыков решения физических задач. Данные средства обучения имеют по отношению к традиционным более высокий уровень эффективности. Это обусловлено специфическими свойствами виртуальной среды, такими как мулътимедийностъ, моделинг, интерактивность, коммуникативность, интеллектуальность, производительность. Указанные свойства позволяют:

1) повысить уровень наглядности и выразительности в демонстрации учащимся образцов выполнения основных действий по решению задач {постановка задачи, ее анализ, поиск решения, исследование и проверка результата); увеличить число конкретных примеров выполнения данных действий и сделать их более разнообразными;

2) продемонстрировать образцы применения новых технологий при выполнении ряда действий, входящих в состав решения задачи {расчеты, построение графиков, исследование результата решения с помощью

компьютерных моделей) и наглядно продемонстрировать эффективность применения этих технологий;

3) обеспечить необходимый уровень отработки учебных действий и операций по решению физических задач благодаря использованию цифровых тренажеров, симуляторов, тестов;

4) создать необходимую для каждого учащегося содержательную базу для самостоятельной работы за счет формирования практически неограниченного банка учебных задач различных видов и разного уровня сложности;

5) обеспечить высокий уровень интерактивности учебной среды в организации самостоятельной работы учащихся по решению задач;

6) существенно повысить познавательную активность школьников за счет использования инновационных технологий организации их учебной работы и реализации деятельностного подхода к обучению в новой информационной среде;

7) создать необходимые условия для дифференциации и индивидуализации обучения и обеспечить в итоге индивидуальную траекторию познавательной деятельности для каждого учащегося;

8) оптимизировать самостоятельную работу учащихся по решению физических задач (в том числе в домашних условиях) за счет использования дистанционных форм поддержки учебного процесса;

9) обеспечить систематический контроль обучения (текущий, итоговый), оперативность обработки и наглядность представления результатов контроля учителю и учащимся.

Электронные ресурсы по физике (на СЭ), включающие банки задач, цифровые иллюстрации к их решению, интерактивные тренажеры и тесты, в настоящее время уже изобилуют на образовательном рынке. Широко представлены материалы по решению задач и в сети Интернет. Можно выделить несколько типов учебных ресурсов, размещенных на учебных СЭ и в сети, а именно: задачи для абитуриентов;

электронные решебники; справочные материалы; задачи, подготовленные учащимися; простейшие инструментальные программы для решения задач; дистанционные школы (курсы) по решению задач; тесты; олимпиады; интеллектуальные клубы. Кроме того, имеются сайты для учителей по методике обучения решению задач.

Анализ содержания электронных учебных изданий и сетевых ресурсов по физике показал, что в них представлен весьма широкий спектр цифровых объектов, которые могут эффективно применяться при формировании у учащихся умения решать физические задачи. К таким объектам относятся: тексты задач и образцы их решения; графики функций; фотографии; рисунки; формулы; систематизирующие таблицы; таблицы физических величин; аудиоинформация (как сопровождение к видео, модели, рисунку); видеоресурсы (демонстрации натурных опытов, фрагменты документальных, художественных и мультипликационных фильмов); анимации; компьютерные модели (разных уровней интерактивности); конструкторы; тренажеры; тесты; дидактические игры. Названные объекты могут успешно применяться для представления в виртуальной среде физических задач различных видов и отработки у учащихся умений и навыков их решения [I]. Следует отметить полифункци-ональные свойства этих объектов. Один и тот же объект может быть использован

1) на разных этапах учебного занятия по решению задач;

2) на разных этапах решения конкретной физической задачи;

3) для отработки у учащихся одного или некоторой совокупности учебных действий и операций.

Виды задач по физике разнообразны. Тем не менее, при изучении физики чаще используются задачи вполне определенных видов. В большей степени учащиеся упражняются в решении количественных задач на объяснение и предсказание явлений

природы на основе изученных закономерностей. Можно указать общую логику познавательной деятельности при решении задач такого рода (обобщенное алгоритмическое предписание).

Обобщенный план решения физических задач (на объяснение и предсказания явлений природы)

1. Сформулировать (прочитать) задачу.

2. Сделать анализ условия задачи.

3. Кратко записать условие задачи.

4. Определить физические законы, с помощью которых можно объяснить (предсказать) описанное в задаче явление, значение величин, его характеризующих.

5. Доказать, что данное явление или искомое значение характеризующей его величины выступает следствием указанного закона (законов): а) записать математическое выражение закона; б) выполнить анализ математических выражений, т.е. установить, все ли физические величины, входящие в уравнения, представлены в условии задачи (если система уравнение оказывается неполной, ввести дополнительные уравнения); в) решить систему уравнений в общем виде и получить математическое выражение для искомой величины; г) провести вычисление в удобной метрической системе (или в СИ).

6. Проверить решение задачи одним из способов.

Применительно к отдельным учебным темам данный обобщенный план может быть частично конкретизирован. В этом случае мы получим план действий более низкого уровня обобщения (или частное алгоритмическое предписание). Предъявление учащимся обобщенных ориентиров деятельности - путь повышения ее результативности. Освоив общий метод на ограниченном числе случаев его применения, школьники более успешно справляются с решением проблем в сходных ситуациях, преуспевают и в решении нестандартных задач [2, 3].

Приведенный выше обобщенный план деятельности не только отражает последовательность действий учащегося при решении задач на объяснение и предсказание явлений природы, но и дает нам представление о совокупности основных умений, которыми должны овладеть учащиеся в решении задач этого вида. В методической науке исследуются способы и приемы формирования данных умений. С появлением новых средств обучения (средств ИКТ) область методического поиска существенно расширилась. Рассмотрим возможности новых информационных технологий в формировании умений учащихся в решении физических задач. Покажем эти возможности применительно к каждому учебному действию.

Формулировка задачи:

- на основе видеофрагмента натурного опыта (рис. I);

- на основе фильмов или мультфильмов;

- на основе виртуальной модели;

- на основе моделирования вариантов за-дачных ситуаций, представленных в задаче (с использованием инструментальных программ и моделирующих сред); (рис.2);

- использование виртуальной модели, видеофрагмента, анимации, фотографии, рисунка для иллюстрации условия формулируемой задачи;

- предъявление образцов анализа условия задачи, представленных в ЦОР (рис. 3);

- работа с электронными тренажерами для отработки отдельных действий анализа условия задачи (для типовых ситуаций);

- анализ задачи на основе работы с элект- (рис. 5); ронными конструкторами (например, - возможностей интерактивной доски для

построение схемы электрической цепи, хода краткой записи условия задачи. лучей в оптических приборах, векторов дейс-

Рис. 2

Рис. 4

твующих сил) (рис. 4);

- анализ задачи на основе использования функциональных возможностей интерактив-

Поиск решения ■ Самостоятельный поиск через поисковые

ной доски (наложение дополнительной системы ЦОР и в Интернете фактической

компьютерной графики, символьной записи информации (определений понятий, фор-

на задачную ситуацию, представленную в мулировок физических законов, математичес-

Ах

Рис. 3

различных медиаформатах).

Запись условия задачи

- Использование цифровых "решебников" для демонстрации образцов краткой записи;

- рисунков и других объектов ЦОР (графики, схемы, виртуальные модели и др.) для отображения задачной ситуации;

- MS Paint, MS Power Point и др. для графического отображения рисунка задачной ситуации (создается коллекция объектов);

N

тС V О Fa

V г - й{ /

а

—► Fl 7Г f

Рис. 5

ких формул, данных таблиц), необходимой для решения задач (рис. 6);

- демонстрация образца решения задачи на основе фрагментов ЦОР;

- решение задачи с использованием моделей и обучающих сценариев (рис. 7);

- использование виртуальных экспертных систем для решения задачи;

- использование инструментальных программ Excel, Maple, Mathcad и других для выполнения отдельных операций по

UeiU-EETBG Удельная теплоемкость, С, Дис.'яг К 1 еилп ерагура плавлении при нори-даип., К Удепьнан теп NOT L! плавления, иДж/кг

Алиби нний SSG (гв| 10S0 (* ) 933 393

Веща 2100 ) -1200(:жцдк) 273.15 335

Графит 700 itb.j 4100-4200

Медь 380 ив ) 135В 213

Рис. 6

Рис. 8

решению задач и системы сложных уравнений;

- применение программ для перевода единиц измерения.

Проверка решения

- Просмотр видеофрагмента натурного опыта, документального или художествен-

- использование программ Maple, Mathcad, Excel и других для проверки точности расчетов, моделирования решения обратной задачи и частных случаев решения (проверка реальности следствия).

Как видно из приведенных примеров, новые информационные технологии позво-

Выбор соотношения длин головной и основной частей ракеты

Длина основной части ракеты: 2М

И

Принять

изменения

Рис. 7

ного фильма, иллюстрирующего реальный физический эффект, который необходимо было предсказать при решении задачи (рис.

8);

- проведение модельного эксперимента, который демонстрирует ожидаемый по результату решения задачи эффект (рис. 9);

- анализ образца решения задачи, представленного в ЦОР;

- обращение к экспертной системе;

Рис. 9

ляют поднять процесс обучения учащихся решению физических задач на новый качественный уровень. В сложившихся условиях должны быть определены новые ориентиры подготовки будущих учителей физики. Необходимо формировать у студентов педагогических вузов специальную профессиональную компетентность, характеризующую их готовность к обучению школьников современным ИКТ-методам

решения физических задач и эффективному применению наряду с традиционными средствами обучения новых информационных средств и технологий формирования у учащихся учебных умений и навыков. Важным является овладение будущими учителями и новых организационных форм построения учебного

процесса. Конечная цель подготовки специалистов нового поколения -обеспечение устойчивых изменений в профессиональной деятельности педагогов, выраженных в систематическом и эффективном использовании средств ИКТ в обучающей практике.

Библиографический список

1. Оспенникова Е. В. и др. Обновление системы учебных объектов среды обучения в условиях информатизации образования и проблема организации познавательной деятельности школьников в новой информационной среде / Е.В. Оспенникова // Вестник ПГПУ. Сер. ИКТ в образовании. 2005. Вып. I. С. 50 - 67.

2. Талызина Н.Ф. Управление процессом усвоения знаний / Н.Ф.Талызина. М.: Изд-во МГУ, 1975. 342 с.

3. Усова А.В. Формирование учебных умений и навыков учащихся на уроках физики / А.В. Усова, А.А. Бобров. М.: Просвещение, 1988. 112 с.

Статья подготовлена в рамках проекта "Информатизация системы образования”, реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации. Проект финансируется из средств Международного банка реконструкции и развития.