Основные направления развития электронных образовательных ресурсов по истории физики для средней общеобразовательной школы Текст научной статьи по специальности «Науки об образовании»

I ЭЛЕКТРОННЫЕ УЧЕБНЫЕ РЕСУРСЫ I И МЕТОДИКА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОБУЧЕНИИ

Оспенникова Е.В., Оспенников H.A., Ремизова Е. С.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

ПО ИСТОРИИ ФИЗИКИ ДЛЯ СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

Рассматриваются основные тенденции совершенствования электронных учебных изданий по истории физической науки. Обсуждается их тематическое разнообразие, жанровый состав, мультимедийное наполнение. Уделяется вним ание вопросу систематизации зн а-ний учащихся по истории науки. В качестве примера представлены структура и содерж а-ние электронной хрестоматии по истории фундаментального физического эксперимента.

Развитие информационной инфраструктуры обра зования сопровождается проце с-сами наполнения виртуальной среды разнообразными учебными материалами. В частности нарастает и преобразуется в новой среде обучения информационный ресурс по истории физической науки.

Материалы по истории физики представлены как на локальных носителях, так и в глобальной сети ¡Мвгп& [3].

Историческая составляющая содержания электронных учебных изданий на СБ о г-раничивается в основном биографиями ученых -физиков, в значительно меньшем объеме в них включены сведения по истории развития отдельных областей физического знания.

Естественнонаучные образовательные порталы и сайты сети 1Швгп& открывают пользователю доступ к более разнообразным по содержанию и масштабным по объему электронным ресурсам по истории физической науки. Это:

• энциклопедии и энциклопедические словари, включающие сведе ния по ист ории научного знания, в том числе биографические сведения об учёных-физиках;

• курсы лекций по истории физики и учебные материалы по истории развития ее отдельных областей;

• виртуальные музеи и галереи портретов ученых;

• электронные версии статей и книг исторического содержания.

Основными формами представления исторической информации в виртуальной ср еде являются текст и статичные иллюстрации. Актив изирующие учебный процесс специфические функции виртуальной среды ( мультимедиа, интеллектуальность, мо делинг, интерактив, коммуникативность, производительность ) задействованы авторами -разработчиками исторического е-Ьеагтщ «контента» пока весьма ограниченно. Поэтому современная виртуальная среда, открывая оперативн ый доступ к информации историч е-ского содержания, пока не слишком отличается по своему дидактическому потенциалу от традиционной учебной книги. Такое положение дел определяет актуальность пробл е-мы совершенствования новой среды обучения в плане развития исторической компоне н-ты ее содержания.

© Е.В. Оспенникова, H.A. Оспенников, Е.С. Ремизова, 2006

Рассмотрим наиболее значимые направления в разработке данной проблемы:

I. Первым из них является обесп ечение тематического разнообр а-

зия электронных учебных материалов по истории науки. Формирование и сторическо-го «контента» электронных учебных пособий должно осуществляться, на наш взгляд, с учетом структуры исторического знания. Основные составляющие этой структуры ук азаны ниже. Это разделы (и подразделы):

1) биографии выдающихсяученых-физиков (в том числе нобелевских лауреатов):

• этапы жизненного пути;

• научная работа, вклад в науку;

• общественно-политическая деятельность;

2) история фундаментальных физических открытии в области:

• экспериментальной физики,

• теоретического физического знания;

3) история развития отдельных областей физики как науки ( механики, физики тепловых явлений, электродинамики, оптики и т.д.):

• история развития экспериментальных исс ледований в данной области физи че-ского знания;

• история создания физических теорий, о бъясняющих сущность явлений дан ной области;

4) история развития методов научного познания в области физической науки :

• эмпирических,

• теоретических;

5) история становления современной физической картины мира;

6) история техники (ее отдельных отраслей) в контексте истории развития физики как науки.

Внутри каждого из этих разделов возможна дополнительная дифференциация исторического материала.

II. Особое значение для виртуальной учебной среды имеет системное

представление информации по истор ии науки. Основания систематиз а-

ции исторического материала могут быть самыми разнообразными. Нет сомнения в полезности того, что структура исторического знания в электронных учебных изданиях будет формироваться, в том числе, и в соответствии со структурой предмета учения. Так, например, в области экспериментальной физики к элементам системы эмпирического исторического знания в этой связи могут быть отнесены:

• история установления научных фактов (т.е. история научного опыта - наблюдений, экспериментов),

• история зарождения и развития эмпирических понятий (как отдельных понятий, так и их систем),

• история открытия экспериментальных законов,

• история развития методов эмпирического познания.

В области теоретического знания это могут быть вопросы:

• истории создания научных теорий, а также выдвижения и проверки теоретических гипотез,

• вопросы истории развития методов теоретического исследования.

Следует отметить, что указанные выше основани я для структурирования историч е-ского материала не являются единственными. В рамк ах каждого блока информации во з-можна еще более «тонкая» дифференциация исторических сведений. Базой для их структурирования в этом случае могут служить обобщенны е планы изучения элементов си с-

темы научного знания. Так, например, изложение исторических сведений по истории создания физических теорий може т быть построено в соответствии с обобщенным пл а -ном, содержание которого приведено ниже.

План изучения физической теории

1. Базис теории:

• экспериментальное основание: научные факты (данные опытов), послужившие основанием для разработки теории;

• общенаучное основание: ранее существовавшие теории, общенаучные и естес т-веннонаучные принципы, на основе которых строилась теория;

2. Ядро теории:

• идеализированный объект теории (модель), его характеристика; принципы и п о-стулаты теории;

• система уравнений теории, описывающих поведение идеализированного объекта.

3. Следствия теории:

• круг научных фактов, экспериментальных законов, объясняемых данной теорией,

• научные факты, экспериментальные законы, предсказываемые теорией,

• менее общие теории, входящие в данную теорию как ее составные части.

4. Границы применимости теории (круг явлений, которые теория

не объясняет, а также явления, которым она дает лишь качественное толкование).

Описание вопросов истории науки с использованием обобщенных моделей предмета учения позволяет авторам -разработчикам e -Learning контента не упустить из вида ключевые составляющие исторического обзора, а учащимся при работе с данными материалами сосредоточить свое внимание на важнейших элементах в его содержании. Это особенно ценно в условиях изобилия в подобных обзорах объективно необходимых для отображения атмосферы соответствующего историче ского периода второстепенных д е-талей и фактов, придающих учебному историческому тексту особую привлекательность.

Изучение истории становления эмпирического и теоретического научного знания в рамках такого подхода позволит учащимся глубже осознать структуру предмета физики как науки, будет способствовать освоению ими методол огии научного поиска в его и с-торическом контексте и формированию у них на этой основе естественнонаучного и исторического стилей мышления.

III. Существует проблема разви тия форм представления истор и-

ческого материала в виртуальной информ ационной среде. На сегодня в о с-

новном это иллюстрированные исторические текст ы при очень ограниченном примен е-нии моделей и анимаций, видео и аудиоресурсов. Безу словно, следует стремиться к тому, чтобы история физики в ее электронной версии была изложена с использованием полного состава медиакомпонентов виртуальной среды и всего многообразия учебных объектов образующих эти компоненты.

В нашем понимании виртуальный учебный объект (ВУО) - это любой семантический (смысловой) элемент предмета учения или их система, представленные в виртуальной среде в той или иной форме (знак, символ, текст, рисунок, модель, видеосюжет и пр.) Существуют понятия элементарного учебного объекта и сложных учебных объектов.

Учебные объекты виртуальной среды формируются и развиваются в рамках ее о с-новных составляющих - медиакомпонентов. К медиакомпонентам относятся: статичные (образные или символьные) обьекты, видеообъекты, аудиоинформация, среда «виртуальной реальности» (или ее элементы).

Анализ содержания и возможностей программно -педагогических средств (ППС), представленных на образовательном рынке Р оссии, в частности показал, что многие из учебных объектов виртуальной среды обучения могут быть с успехом использованы в моделировании контента электронных изданий истор ического содержания. Не исключено, что решение проблемы совершенствования медиакомпон ентов для изданий данного типа приведет к появлению виртуальных учебных объектов нового типа, отражающих специфику исторического контента информационной среды обучения.

Проблема развития форм представления исторического материала в направлении использования уникальных возможностей виртуальной среды, предполагающих ком -плексное применение ее медиакомпонентов, является достаточно сложной. Она вбирает в себя психологические, педагогические и методические аспекты обучения школьников в виртуальной информационной среде.

Очевидно, что на выбор форм предъявления ис торической информации существенно влияет и ее содержание. Рассмотрим, в качестве примера, наиболее актуальные и перспективные линии совершенствования способов и фо рм подачи материала в виртуал ь-ной среде обучения по истории физического эксперимента. К ним относятся:

1) расширение возможностей применения гиперграфики при использовании ста -тичных символьных и образных учебных объектов (текстов, фотоснимков, рисунков, картин, схем, таблиц, диаграмм, формул и пр.), отражающих историю постановки физических опытов;

2) широкое использование аудиосопровождения учебных объектов исторического содержания:

• развернутые устные тексты по истории постановки физического эксперимента (или их фрагменты);

• устные комментарии к отдельным учебным объектам по истории физических опытов;

• аудиодиалоги (например, реконструкция дискуссий ученых по содержанию ис -торического эксперимента, «внутренних диалогов» ученого при разработке идеи опыта и т.д.);

• фрагменты аудиохроники;

3) применение видео и анимаций:

• видеохроника исторического эксперимента;

• исторические видеосюжеты (игровые художественные и мультипликационные, в том числе с использованием компьютерной мультипликации);

• видеолекции по истории физического эксперимента;

• анимационные модели, иллюстрирующие работу экспериментальной устан овки исторического эксперимента;

4) использование элементов среды «виртуальной» реальности:

• интерактивные (имитационные, численные) модели исторических опытов;

• виртуальные конструкторы исторического физического эксперимента;

• виртуальные исторические лаборатории;

• виртуальные исторические музеи и галереи;

5) разработка тематических мультимедиа презентаций по истории физического

эксперимента.

Некоторые из названных фор м и способов представления исторического материала уже реализованы в современных ЭУИ по физике.

IV. Является актуальным на сегодня создание специализированных электронных изданий по истории науки. В настоящее время такие издания

практически отсутствуют. Соответственно пока четко не обозначен их жанровый состав.

Тем не менее, можно назвать возможные жанры элект ронных учебных изданий истор и-ческого содержания. Это:

1. Электронные копии: учебных пособий, монографий, хрестоматий исторического содержания, видео- и аудиоматериалов по истории физики.

2. Программно-педагогические средства (ППС) по истории науки:

• энциклопедии и энциклопедические словари, справочники;

• хрестоматии;

• коллекции исторических материалов: рисунков, фотоиллюстраций, моделей ( в том числе, моделей исторического физического эксперимента), видеосюжетов, таблиц, схем, опорных конспектов, тематических презентаций и т.п.;

• каталоги учебных материалов по истории физической науки;

• библиотеки (т.е. каталоги и соответствующие им коллекции);

• интерактивные учебные пособия для элективных курсов по истории физики;

• виртуальные лаборатории по истории физического эксперимента,

• задачники («История физики в задачах и вопросах»);

• учебные занятия исторического содержания (лекции, уроки, экскурсии и т.п.);

• музеи по истории развития физической науки и техники;

• дидактические игры по истории физики.

Систему таких предметных электронных изданий для различных уровней образования еще только предстоит создать. Соединение разнообразных форм п одачи материала по истории науки с возможным многообразием жанров исторических ЭУИ позволит получить уникальные по своим дидактическим возможностям и воспитательному эффекту электронные учебные пособия по истории научного знания.

Работа в этом направлен ии постепенно активизируется в различных вузах России. В Пермском государственном педагогическом университете, в частности, разрабатывается электронная хрестоматия «Эксперимент в истории физической науки» для учащихся средней общеобразовательной школы (рис . 1) . В создании электронной хрестоматии принимают активное участие аспиранты и соискатели кафедры мультимедийной дида к-тики и ИТО, студенты IV- V физического факультета ПГПУ [2, С. 141, .318-319]. В хрестоматии представлено иллюстрированное трехуровневое изложение вопросов истории постановки фундаментальных физических опытов в соответствии с обобщенным планом изучения научного факта.

План изучения научных фактов (данных наблюдений и опытов)

1. Уточнить, кем и когда проводился опыт, в чём состояла его цель.

2. Определить, с помощью каких средств осуществлялась постановка опыта (пр и-боры и материалы), изучить принципиальную схему установки.

3. Уяснить порядок проведения опыта.

4. Выяснить основные результаты опыта.

5. Познакомиться с содержанием объяснения да иных опыта с позиций совреме н-ного научного знания (законов, теорий).

Содержательную основу изложения материала на первом и втором уровнях составляют выдержки из наиболее известных изданий по истории становления физики как науки. Третий уровень изложения организован в форме опорного конспекта (OK) по и с-тории физического эксперимента и является оригинальной разработкой авторов прое к-та. Опорный конспект включает динамическую модель исторического эксперимента. В хрестоматию вошли как традиционная стати чная, так и пошаговая презентационная версии опорного конспекта с аудиосопровождением. Предполагается разработка слад -

фильмов с аудиосопровождением по первому уровню детализации описания историч е-ского эксперимента.

Эксперимент в истории развития

физической науки

Биографии у ченых

Учащимся

Учителю

Рис. 1

Каждый из уровней изложения исторического материала выполняет свои дидакти -ческий функции, а именно: первый - предъявление исчерпывающей информации по ис -тории вопроса; второй - выделение главного, существенного в историческом материале; третий - обеспечение эффективного запоминания главного в опоре на наглядные образы и логическую структуру научного знания. Организация гиперпереходов между уровнями позволяет пользователю оперативно получать или уточнять исторические сведения в не -обходимом для него объеме.

Каждый исторический опыт представлен в хрестоматии в виде дидактического мо -дуля. Состав модуля образуют:

• подробное описание исторического опыта ( по обобщенному плану изучения н а-учного факта),

• слад-фильм с аудиосопровождением, соответствующий первому уровню детализации описания;

• сокращенный вариант описания исторического опыта;

• опорный конспект;

• презентация опорного конспекта (со звуковым сопровождением по тексту второго уровня описания) (см. пример на рис. 2 - 5, дипломный проект студентки У курса физического факультета ПГПУ Е. Ремизовой, 2005 г.);

• демонстрационная (манипулятивная) модель исторического эксперимента (или ссылка на соответствующий электронный ресурс);

• задания для самостоятельной работы учащихся с материалами модуля;

• рекомендации по выполнению заданий для самостоятельной работы;

• подробная историческая справка о жизни и деятельн ости ученого, осуществи в-шего постановку опыта.

Полезным элементом хрестоматии является «внедренный» в нее инструментарий для подготовки и «проигрывания» с оставленных на основе ее ресурсов презентаций к устным историческим обзорам.

Осуществляется подготовка англоязычной версии данной хрестоматии для классов с углубленным изучением иностранного языка.

В настоящее время ведется активная работа по подготовке н а сайте кафедры мультимедийной дидактики и ИТО ПГПУ (http://mdito.pspu.ru/) интернет-страницы «Эксперимент в истории физической науки». Предполагается привлечение учителей и учащихся средних школ к систематическому пополнению дидактических и методических ресурсов данного сайта.

Специализированное электронное издание «Эксперимент в истории физической науки», выполненное в жанре мультимедийной хрестоматии, является принципиально новым видом программного продукта в сис теме электронных средств обучения физике, распространяемых в отечественной системе образования. Материал хрестоматии будет полезен в организации учебной и внеклассной работы школьников по предмету, а также в самообразовании.

Отто

(1888

Штерн

- 1969 гг.)

Опыт О. Штерна (1920 г.)

1. Цель опыта: определить среднюю скорость теплового движения молекул

2. Экспериментальная установка

Жестко соединенные коаксиальные цилиндры

А - платиновая нить, покрытая слоем серебра,

В - латунная пластинка,

С - узкая щель,

Б - область оседания атомов серебра при вращении цилиндра.

Рис. 2

V. Важным направлением совершенствования исторического контента виртуал ь-ной информационной среды является его наполнение дидактическими

и методическими материалами по использованию эле к-

тронных ресурсов исторического содержания в учебном проц ессе по предме-

ту.

Созданный ресурс до лжен быть непременно включен в учебную деятельность школьников. Более того, учащиеся могут стать активными участниками наполнения виртуальной среды материалами исторического содержания.

Укажем основные виды заданий для самостоятельной работы учащихся с мат е-риалами по истории науки и в частности по истории научного эксперимента. Это:

1. Вопросы, включающие анализ проблем истории развития научного знания.

2. Задачи, составленные по материалам истории науки.

3. Порядок выполнения опыта:

@ нагревание нити до температуры плавления серебра,

@ определение области оседания испарившихся атомов на пластинке,

@ вращение цилиндра,

_ определение величины смещения іихпоски серебра,

@ вычисление средней скорости частиц по результатам измерений.

і = 1225 °С п = 1500 об / мин

Рис. 3

4. Основные результаты опыта:

со ■ К ■ (К - г) со ■ К ■ Ь

6 6

у Наиболее вероятная скорость движения атомов серебра при 1 = 600 м/с = 1225° С

@ Размытое изображение щели при вращении, что соответствует разной скорости движения атомов в пучке

@ Связь скорости движения атомов с температурой

© Профиль налета на внешнем цилиндре совпадает по форме с кривой максвелловского распределения молекул по скоростям

Подтверждение максвелловского распределения молекул по скорости движения !

Рис. 4

3. Задания исторической тематики, связанные с подготовкой учащихся к уче б-ным занятиям и проведению внеаудиторной учебной работы:

• поиск и систематизация Интернет-ресурсов по истории науки,

• подбор материала и создание тематических коллекций (традиционных, цифровых) по истории научного знания (портретов ученых, рисунков установок для историч е-ских опытов, цитат, фрагментов научных трудов ученых, цитат и пр.),

• разработка справочных материалов исторического содержания,

• подготовка устных выступлений (сообщений, докладов),

5. Объяснение результатов опыта:

Среднюю скорость теплового движения молекул можно найти исходя из основных положений молекулярно-кинетической теории:

3 ■ R ■ T

m

Вид функции распределения молекул по скоростям Д. Максвелл определил теоретическим путем (на основе теории вероятностей).

Максвелловская функция распределения, называемая законом Максвелла, выражается следующей формулой

Д NM. Nev±_ П 3/2 - imvrT /2 ) 2

Д VRT ' ^Ц2

Опыт О. Штерна (наряду с опытом Ж. Перрена) был первым прямым доказательством справедливости молекулярно-кинетической теории строения вещества

В настоящее время атомно-молекулярное учение подтверждено многочисленными опытами и является общепринятым

уроку),

Рис. 5

создание тематических электронных презентаций (к устному выступлению, к

• разработка опорных конспектов (традиционная и электронная версии),

• озвучивание опорных конспектов и подготовка соответствующих компонентов мультимедиа для пополнения коллекции цифровой библиотеки,

• создание Web-cтpaниц по истории науки для школьного предме тного сайта, в том числе Web-мaтepиaлoв для электронной библиотеки по истории научного экспер и-мента,

• оформление настенных экспресс-экспозиций,

• разработка слад-фильмов для учебных занятий,

• составление учащимися вопросов и задач исторического содержания,

• разработка натурных моделей исторических опытов в школьной лаборатории,

• моделирование исторического эксперимента в виртуальной и нформационной среде и подготовка соответствующих программных средств для ЭВМ,

• разработка учебных тестов по истории науки, в том числе цифровых,

• проектирование и разраб отка настольных дидактических игр исторического содержания, в том числе и компьютерных исторических игр;

• разработка сценариев для крупных игровых форм исторического содержания (КВН, викторины, «Что? Где? Когда?», «Брейн - ринг», «Счастливый случай», «Поле чудес» и пр.);

• разработка сценариев игровых спектаклей исторического содержания,

• подготовка и проведение юбилейных праздников, тематических месячников по истории естествознания;

• и пр.

4. Лабораторные работы с элементами исторического содержания, в том числе виртуальный исторический эксперимент

5. Учебные тесты по истории науки.

6. Дидактические игры исторической направленности (ребусы, кроссворды, скан-ворды, лото и пр.).

Важной задачей является разработка методических материалов для учителя, п о-могающих ему организовать работу школьников с ци фровыми ресурсами по истории науки. Полезна разработка сценариев учебных занятий по предмету, включающих изучение учащимися в опросов истории научного знания. Это могут быть сценарии занятий различных организационных форм построения (лекции, семинары, конференции, лабораторные работы и т.д. ). Будут востребованы программы различных элективных уче б-ных курсов по истории науки. Темат ика курсов может быть разнообразной. Например: интегративный курс « История научного эк сперимента», интегративные курсы более общей тематики («История естествознания», «Методология естественнонаучного п о-знания», « Естественнонаучный эксперимент », « История научных открытий »), предметные курсы («История физики», «История биологии», «Методы физического исследования,», «Исследовательский физический эксперимент », « Исторические опыты по х и-мии» и др.) [1, С. 100-102].

Итак, мы рассмотрели основные направления совершенствования цифровых обр а-зовательных ресурсов по истории физики. Проблема развития e-learning контента по истории научного знания является актуальной не только для преподавания курса физики. Ее решение будет полезным для совершенс твования учебного процесса и по другим учебным дисциплинам. Интересные разработки в данном направлении уже им еются по целому ряду предметных курсов. Важно изучение данного опыта, его обобщение и ра с-пространение наиболее продуктивных методических идей в сфере преподавания различных учебных предметов.

Библиографический список

1. Оспенникова, Е.В. Худякова, A.B. и др . Методические рекомендации по использованию и н-формационно-коммуникационных технологий в школе естественнонаучного профиля. Ч. 2. Предмет «Физика». - Пермь: изд-во ПРИЛИТ, 2004. - С. 1- 128.

2. Оспенникова Е.В. Развитие самостоятельности школьников в учении в условиях обновления информационной культуры общества: В 2 ч.: Ч. II. Основы технологии развития самостоятельности школьников в изучении физики: Монография / Перм. гос. пед. ун -т. - Пермь, 2003. - 329 с.

3. Худякова A.B. Локальные и сетевые информационные ресурсы по истории физики // Сборник тезисов IV Международной конф еренции «Проблемы истории физико -математических наук» - Тамбов: Изд-во ТГУ, 2004. - С. 70-72.

Статья подготовлена в рамках прое кта «Информатизация системы образования», реализуемого Национальным фондом подготовки кадров по заказу Министерства образов ания и науки Российской Федер ации. Проект финансируется из средств Международного банка реконструкции и развития.