CC BY
219УДК 53 (076.5)
А. Васильченко, Д.А. Антонова
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНТЕРАКТИВНЫХ УЧЕБНЫХ МОДЕЛЕЙ ПО ФИЗИКЕ СРЕДСТВАМИ ADOBE FLASH
Ключевые слова: обучение физике, дидактические материалы, цифровые
учебные ресурсы, интерактивные учебные модели, профессиональная подготовка учителя физики, среда Adobe Flash.
Статья посвящена проблеме подготовки учителей физики к самостоятельному проектированию и разработке интерактивных учебных моделей. Обсуждаются уровни интерактивности виртуальных моделей. Анализируются возможности среды Adobe Flash как инструмента для их создания. Рассматриваются сценарии интерактивных моделей по физике, реализованных в среде Adobe Flash. Оцениваются возможности использования этих моделей в учебном процессе по физике.
Значительная часть используемых в отечественной системе образования программных продуктов по физике относится к классу программно-методических средств обучения (ПМС) В отличие от программно-технологических средств (ПТС), которые реализуют связь «ученик - компьютер» без участия учителя, ПМС базируются на более сложной системе взаимодействий: «учитель - компьютер», «учитель -ученик», «ученик - компьютер».
При использовании ПМС преподавателю следует заранее найти в конкретном электронном издании все необходимые для организации учебного процесса виртуальные объекты (тексты, анимации, видеосюжеты, модели, статичные иллюстрации и пр.), спланировать последовательность их применения на занятии, продумать содержание самостоятельной учебной работы школьников с этими объектами. Это сложная и трудоемкая профессионально-методическая задача. Для ее решения учителю важно:
• знать состав предметных образовательных медиаресурсов;
• иметь представление о виртуальных объектах, образующих их содержание;
• представлять возможные варианты организации учебной работы школьников с данными объектами;
• иметь (или уметь подготовить) необходимые дидактические материалы для организации самостоятельной работы учащихся с ресурсами виртуальной информационной среды [1; 5].
© Васильченко А., Антонова Д.А., 2012
Не все составляющие этой задачи на сегодня успешно решаются в школьной практике, но с удовлетворением можно отметить, что педагогическое сообщество настойчиво движется по пути наращивания положительного опыта применения ИКТ в предметном обучении.
В настоящее время для практики использования ИКТ учителями-предметниками является актуальным приобретение опыта эффективного использования в обучении отдельных объектов виртуальной информационной среды.
Учебные объекты виртуальной среды формируются и развиваются в рамках ее основных составляющих - медиакомпонентов. К медиакомпонентам относятся: статичные обьекты (образные или символьные), видеообъекты, аудиоинформация, среда «виртуальной реальности» (или ее элементы).
Уточним состав учебных объектов для различных медиакомпонентов виртуальной среды обучения. К ним относятся:
1) символьные объекты: знаки, символы, тексты, графики, схемы, таблицы, диаграммы, формулы и пр.;
2) образные объекты: фото, рисунки, картины (репринт или оцифрованные); объекты компьютерной графики (в том числе компьютерные рисунки, репродукции);
3) аудиоинформация: устные учебные тексты, аудиосюжеты, аудиодиалоги, учебные комментарии к виртуальным объектам, аудиохроника, музыка, пение, звуки природных процессов и животного мира и пр.;
4) видеообъекты: постановочные и художественные видеосюжеты (фильмы или фрагменты), видеохроника, анимации и компьютерные модели явлений и процессов;
5) среда «виртуальной реальности» (дифференцируется по предметным областям знания и видам деятельности) и (или) ее элементы: симуляторы, конструкторы, тренажёры, интерактивные модели, виртуальные лаборатории и пр. [4].
Для педагога важен опыт самостоятельного создания простейших цифровых учебных объектов. Это обусловлено тем, что существующие объекты далеко не всегда отвечают необходимому уровню качества или же просто не соответствуют целям обучения.
Проектирование и разработка цифровых ресурсов требует от учителя специальной подготовки в области инструментального программного обеспечения. Среда разработки цифровых образовательных ресурсов не должна быть слишком сложной, но при этом должна предоставлять учителю достаточный спектр возможностей для подготовки качественного продукта. Такой средой, отличающейся сравнительной простотой освоения и доступной в работе не только профессионалам, но и учителям, владеющим базовыми ИКТ-компетнциями, является Adobe Flash. Это инструмент удобный в работе и обладающий широкими возможностями, что делает его весьма востребованным для выполнения различных проектов, в том числе для создания цифровых образовательных ресурсов.
Учебные модели виртуальной среды и уровни их интерактивности
Наиболее интересным и востребованным в образовательной практике является такой виртуальный учебной объект как интерактивная модель.
Под интерактивной моделью понимается модель, в которой для пользователя оказываются доступными операции с ее различными элементами, которые осуществляются управляющими кнопками или с помощью мыши непосредственно в активном поле интерфейса модели.
Сегодня выделяют следующие формы взаимодействия: условно-пассивные, активные, деятельностные и исследовательские. Анализ форм взаимодействия пользователя с интерактивной компьютерной моделью позволяет выделить уровни ее интерактивности [3, 5].
Первый уровень интерактивности. Условно-пассивные формы взаимодействия. Этот уровень характеризируется минимальным взаимодействием пользователя с моделью (рис. 1). Пассивными данные формы названы с некоторой долей условности потому, что от пользователя все-таки требуются некоторые управляющие воздействия (работа с клавишами «пуск», «стоп», «пауза» и т.п.). Цель и требуемый результат работы заранее определены: восприятие и усвоение «готовой» информации.
К условно-пассивным формам взаимодействия относятся:
1. Чтение текста, сопровождающего модель, в том числе с управлением его движением в окне представления («листание» страниц, или скроллинг).
2. Просмотр графики: графиков и диаграмм, схем и графов, символьных последовательностей и таблиц.
3. Прослушивание звука: речи, музыки, комбинированного аудиоряда.
4. Просмотр изображений, входящих в состав модели: статических, динамических (анимации).
5. Восприятие аудиовизуальной композиции: звук и текст, звук и статическое изображение (рисунки), звук и последовательность статических изображений, звук и динамическое изображение (анимация).
Возникновение силы давления при падении ЭМ волны на проводник Закон отражения и преломления света трехмерный
Рис. 1. Модели, имеющие первый уровень интерактивности. (Физика, 7-11 кл. Библиотека наглядных
пособий - 1С:Образование)
Аудиовизуальная композиция может иметь варианты: созерцательный (наблюдение рисунка, анимации в целом); акцентированный (с выделением деталей визуального ряда или фрагментов звукоряда).
Второй уровень интерактивности. Активно-операционные формы взаимодействия. Этот уровень характеризуется простым взаимодействием пользователя с составляющими интерфейса модели (уровень выбора элементарных операций из некоторого множества и их исполнения). Цель и требуемый результат работы, как и на предыдущем уровне, заранее определены: восприятие и усвоение «готовой» информации, но число возможных операций с информационным контентом заметно увеличено (рис. 2).
К активно-операционным формам относятся:
1. Навигация по элементам текстографического контента модели.
2. Копирование элементов текстографического контента и визуального ряда модели в буфер.
3. Множественный выбор действий из некоторого перечня.
4. Масштабирование изображения для детального изучения.
5. Изменение пространственной ориентации объектов.
6. Изменение азимута и угла зрения.
7. Управление модельной композицией.
Рис. 2. Модель второго уровня интерактивности. «Виртуальная физика» (Пермский РЦИ ПГТУ)
Третий уровень интерактивности. Активно-действенные формы взаимодействия. Этот уровень характеризуется конструктивным взаимодействием пользователя с элементами модели (рис. 3). В том случае пользователь обращается к клавишам и опциям модели для достижения самостоятельно (или с помощью учителя) сформулированной цели. Интерфейс модели за счет многообразия возможных комбинаций управляющих клавиш и выбора опций позволяет пользователю сформулировать разные учебные цели (изучение явления на его модели, учебное исследование модели) и выполнить некоторое множество учебных действий. Состав и последовательность операций, которые производит пользователь для достижения поставленной цели, для него заранее не определены, поэтому работа пользователя с такой моделью не всегда может быть успешной. Модель этого уровня интерактивности отличается большим числом степеней свободы, а работа с этой моделью - возможностью выбора пользователем последовательности операций и действий, ведущих к достижению цели, необходимостью анализа на каждом шаге и принятия решений в заданном пространстве параметров и определенном множестве вариантов.
Отметим в качестве существенного момента, что при всем разнообразии указанных форм взаимодействия модель этого уровня интерактивности реализует ряд заранее определенных событий, которые легко просматриваются при тестировании модели.
Рис. 3. Модели третьего уровня
Л м у, м;иу, м/с
Л, М U с
-1 D -0 S 0 5 1 0 1 1
г >
-1 0 -0 5 0.0 0 5 1 0 ац = и2/Л = 1.00 м/с2 ш = 2%/Т = 1 00 с 1 Т = 2лR/u = 6.28 с
X, м , м/с
f» Против часовой стр :лки
t, с [ Старт ) 1
:. «Открытая физика» (ООО «Физикон»)
К активно-действенным формам относятся:
1. Удаление/введение объекта в активное окно модели.
2. Перемещение элементов модели для установления их соотношений, иерархий.
3. Совмещение объектов для изменения их свойств или получения новых объектов.
4. Составление определенных композиций объектов.
5. Объединение объектов связями с целью организации определенной системы.
6. Изменение параметров/характеристик объектов и процессов.
7. Декомпозиция и/или перемещение по уровням вложенности объекта, представляющего собой сложную систему.
Четвертый уровень интерактивности. Активно-деятельностные формы взаимодействия. Модель такого уровня интерактивности ориентирована не на изучение предложенных событий, а на «производство» собственных событий. Работа пользователя с представленными или сгенерированными в процессе взаимодействия с моделью объектами и процессами может быть произвольной. Учебные цели не внедрены в содержание модели. Перечень проблем и сформулированных на их основе задач не известен. Не предлагается и последовательность действий, ведущих к изначально заданному результату. Инициатива в постановке и решении проблем принадлежит пользователю. Он же выбирает способы их решения. При этом не исключен вариант, что задачи решить не удастся и цель достигнута не будет. Совокупность сказанного определяет фактически исследовательские формы взаимодействия пользователя с моделью.
Для реализации исследовательских форм взаимодействия используются сложные учебные модели, которые по сути представляют собой интерактивные среды, состоящие из некоторой совокупности взаимосвязанных моделей. Работа с такими моделями обеспечивает эффект «виртуальной реальности» (ВР), поскольку в этом случае максимально используются ключевые функции виртуальной среды: интерактив, мультимедиа, моделинг, производительность, интеллектуальность.
Допустимые упрощения, определяющие степень близости электронного образовательного ресурса к «виртуальной реальности», характеризуются неполной адекватностью мультимедиапредставлений реальным объектам (замена 3D на 2D, стерео на моно, реалистических изображений на синтезированные) и ограниченным (хотя и достаточно
большим) количеством включенных в сложную модель более простых моделей объектов и процессов.
Формы взаимодействия пользователя с такой моделью не определены (недетер-минированы), и поэтому перечислить их почти невозможно. При этом можно указать на изменения, которые при исследовательском подходе претерпевают некоторые формы взаимодействия третьего уровня:
1. Совмещение объектов модели для изменения их свойств или получения новых объектов.
2. Составление произвольных композиций объектов.
3. Объединение объектов связями с целью организации их новой системы.
4. Изменение параметров/характеристик процессов в неограниченных пределах.
5. Введение структурных/конструктивных изменений в исследуемую систему.
6. Импорт произвольных элементов для введения в активное поле контента.
Эти и другие формы взаимодействия пользователя с моделью приближают эту модель к фрагменту реального мира.
Отметим, что формы взаимодействия пользователя с моделями 1-3-го уровней интерактивности являются детерминированными. Это означает, что все вероятные действия пользователя с моделью заранее просматриваются. Это обусловлено тем, что при разработке модели все возможные варианты представления ее элементов и их композиций, параметры и характеристики процессов, воспроизводимые моделью, заданы. Эти варианты могут быть зафиксированы при выходном тестировании модели.
Формы взаимодействия пользователя с моделью 4-го уровня интерактивности являются недетерминированными. Манипуляции пользователя с элементами модели могут быть произвольными. При создании модели такого уровня интерактивности определяются только исходные элементы модели, параметры/характеристики их поведения. Все элементы сложной модели поддерживаются входящими в ее состав более простыми, но тем не менее нетривиальными моделями, и предопределить заранее все возможные действия пользователя и соответственно результаты этих действий в форме отображения состояния модели в активном окне практически невозможно.
Возможности платформы Flash как инструмента для создания интерактивных моделей
Рассмотрим основные возможности среды Adobe Flash, которые можно использовать для разработки интерактивных учебных моделей [2; 6].
Использование векторной графики. Использование векторной графики по умолчанию делает Flash незаменимым инструментом для разработки моделей для Web. Векторная графика - это объекты, определяемые математическими уравнениями или векторами, которые содержат информацию о размере, форме, цвете, границе и местоположении. При использовании этого инструмента получаются файлы относительно небольших размеров даже при работе со сложными рисунками. Качество рисунка, созданного средствами векторной графики, не зависит от разрешения, с которым он просматривается.
Технология Symbol Conversation. Среда Flash облегчает создание сложных мультимедийных презентаций, при этом размеры файлов остаются небольшими. Так как такие элементы, как векторы, растровые изображения и звук обычно использу-
ются в одном проекте несколько раз, Flash, благодаря своей внутренней функции Symbol Conversation, позволяет создавать единственный экземпляр объекта, который можно повторно использовать вместо того, чтобы каждый раз пересоздавать новый. Такой подход существенно уменьшает размер файла итогового проекта.
Передача данных в потоковом режиме. Главный решающий фактор, определяющий способность Flash создавать быстро загружающиеся приложения мультимедиа для Web, - это передача содержимого в потоковом режиме. Несмотря на другие его достоинства, без этой особенности Flash вряд ли бы стал практичным для использования в Web.
Работа со звуком. Контроль над звуком происходит с точностью до единичного кадра, и его применение ограничено только воображением. Flash проигрывает звук несколькими способами. Он воспроизводится и в произвольный момент времени, и с синхронизацией динамического изображения со звуковой дорожкой. Существует также возможность изменять уровень звука для каждого канала и применять эффект плавного увеличения и уменьшения громкости.
Сценарии во Flash. Мало что привлекает внимание человека так, как движение и взаимодействие, организованное в рабочем поле интерактивного ресурса. Именно это и делает Flash, предоставляя разработчикам возможность создавать подконтрольные пользователю приложения, которые напрямую связаны с интерактивным характером его работы в виртуальной среде.
В среде Flash имеется возможность «создавать» кнопки, нажатие которых приводит к предоставлению дополнительной информации, воспроизведению звука, переходу на другие страницы интерактивного проекта и др. Благодаря этому созданная в среде Flash презентация позволяет пользователю двигаться по индивидуальной траектории. В данной среде возможна разработка проекта, включающего работу с числами. Обработка информации осуществляется с помощью простого, но мощного языка сценариев Action Script.
Интерактивные модели по теме «Гидро- и аэростатика» (7 класс) для средней общеобразовательной школы, разработанные с применением технологии Flash
Для наглядной демонстрации применения возможностей платформы Adobe Flash целью разработки интерактивных компьютерных моделей были созданы две модели по теме «Гидро- и аэростатика» (7 класс) для средней общеобразовательной школы.
Модель «Ареометр». Данная модель предназначена для организации виртуальной лабораторной работы, имеющей своей целью усвоение учащимися особенностей работы с ареометром и отработку у них умений пользоваться данным прибором для измерения плотности различных жидкостей (рис. 4).
В главном меню ресурса учащимся предоставляется выбор учебного задания для самостоятельной работы. Основу выполнения каждого задания составляет работа учащихся с соответствующим тренажером.
При выполнении первого задания школьникам предлагается упражнение на определение цены деления шкалы прибора (рис. 5). Учащийся определяет цену деления для каждой шкалы, представленной в рабочем поле интерфейса модели, и вводит полученный результат в соответствующее окно. Далее выполняется проверка результата.
‘ЗЛема урока: ^Ареометр
/. 1у^чимся определять цену деления.
2. (умч имся измерять плотность.
3. ^чимся работать с таблицей, .
Рис. 4. Модель «Ареометр». Главное меню
Рис. 5. Модель «Ареометр». Определения цены деления
На втором этапе учащиеся выполняют измерения с помощью ареометра. Им предлагается измерить плотности трех жидкостей и записать результат измерения с учетом погрешности отсчета. Данные измерений должны быть внесены в соответствующие окна (рис. 6). В модели реализована возможность проверки действий учащегося, а также повторения процедуры измерения. При правильном выполнении всех действий учащийся переходит к выполнению третьего задания.
Цель третьего этапа работы - тренировка навыка работы с таблицей плотности различных жидкостей. На экран выводится фрагмент справочной таблицы, в которой представлены значения плотности отдельных жидкостей (рис. 7). Ученик, опираясь на результаты ранее проведенных измерений, должен определить плотность жидкостей, с которыми он работал при выполнении второго задания. В соответствующих окнах модели учащийся должен указать название жидкостей. В модели предусмотрен контроль правильности выполнения учащимися данного задания.
Рис. 6. Модель «Ареометр». Измерение плотности жидкости
Рис. 7. Модель «Ареометр». Работа с таблицей
Модель «Ареометр» относится ко второму уровню интерактивности и позволяет учащимся выполнить все необходимые действия по измерению плотности жидкости. Это фактически симулятор действия измерения. Для обеспечения заданного уровня интерактивности в модели реализованы динамический переход по контекстным меню, система контроля ввода, а также контрольно-оценочная система. Работа учащегося по измерению плотности жидкости ареометром организована в рамках нескольких кадров. Для каждого кадра разработан сценарий, который дает возможность учащемуся выполнять необходимые манипуляции в рабочем поле модели.
Модель «Манометр». Эта модель тоже предназначена для организации виртуальной лабораторной работы. Цель данной работы - усвоение учащимися правил работы с манометром и приобретение опыта его применения для измерения давления внутри жидкости. Помимо этого учащимся предоставляется возможность исследовать зависимость величины давления жидкости от высоты ее столба, а также от а 73
плотности жидкости. В ходе работы учащиеся упражняются в построении и исследовании графиков функциональных зависимостей.
Работа с моделью организуется в два этапа.
Задача первого этапы работы - формирование у учащихся умения определять с помощью манометра давление внутри жидкости на произвольной глубине. С помощью виртуальной металлической ручки манометрическая коробочка манометра погружается на произвольную глубину. По показаниям манометра определяется давление жидкости, результаты измерения заносятся в окно ввода значений (показания манометра, показания барометра-анероида) (рис. 8). Расчет суммарного давления выполняется автоматически (рис. 9). Далее система производит проверку результата (по соответствующей формуле выполняется пересчет значений, установленных на манометре; осуществляется сверка результата пересчета с результатом, веденным учащимся). Правильный ответ выделяется зеленым цветом. Красный цвет используется в случае, если ответ неверный.
Рис. 8. Модель «Манометр». Измерение давления внутри жидкости манометром и атмосферного давления барометром-анероидом
Для закрепления опыта измерения давления с помощью манометра, предлагается провести виртуальный измерительный эксперимент с тремя разными жидкостями. Это позволяет также обратить внимание учащихся на зависимость давления внутри жидкости от ее плотности.
На втором этапе работы с моделью учащиеся могут провести серию измерений по изучению зависимости давления внутри жидкости от высоты ее столба. Результаты эксперимента вносятся в соответствующую таблицу (рис. 9). Измерительный эксперимент можно провести для трех жидкостей
Рис. 9 . Модель «Манометр». Расчет давления внутри жидкости
Имеется возможность построить график функциональной зависимости давления жидкости от высоты ее столба (рис. 10). Для этого на координатную плоскость с помощью курсора наносятся соответствующие точки, далее мышью «вручную» по этим точкам строится график. После построения трех графиков их можно совместить на одной координатной плоскости. По результатам анализа графиков функциональной зависимости делается вывод об увеличении давления внутри жидкости с ростом ее плотности.
Рис. 10 . Модель «Манометр». Построение графика зависимости давления внутри жидкости от высоты ее столба
Отметим, что модель позволяет учащимся потренироваться в представлении результата измерения давления в разных метрических системах
Данная модель, благодаря своему функционалу, с некоторыми оговорками относится к третьему уровню интерактивности. В ней предусмотрены активные взаимодействия пользователя с ее различными элементами, используется технология Drag and drop, симулируется построение графиков «вручную» (как на листе бумаги). Можно не только построить график, но и сохранить его или «стереть» за ненадобностью. Модель работает в одном кадровом окне, все сценарные переходы происходят программно, а измерения осуществляются в реальном времени.
Рассмотренные выше модели, реализованные средствами Adobe Flash, обладают достаточно высоким дидактическим потенциалом. Они могут использоваться учителем физики при объяснении нового материала, применяться на этапе его закрепления при организации виртуальных лабораторных опытов. Полезна работа с моделями и в домашнем виртуальном эксперименте с целью подготовки школьников к учебным занятиям по физике. Интерактивный характер моделей не только позволяет отработать у учащихся необходимые умения, но и стимулирует их познавательную активность, развивает самостоятельность в учебной деятельности, формирует навыки самоконтроля.
Список литературы
1. Использование информационных и коммуникационных технологий в общем среднем образовании [Электронный ресурс]. - URL: http://www.ido.rudn.ru/nfpk/ikt/vved.html/.
2. Мук К. «ActionScript 3.0 для Flash» - СПб.: Питер, 2009. - 988 с.: ил.
3. Оспенников Н. А., Оспенникова Е. В. Формирование у учащихся обобщенных подходов к работе с компьютерными моделями // Известия Южного федерального университета. Педагогические науки. -2009. - N 12. - С. 206-214. - Библиогр.: с. 214.
4. Оспенникова Е.В. Использование ИКТ в преподавании физики в средней общеобразовательной школе: метод. пособие. - М.: Бином: Лаборатория знаний, 2011. - 655 с.
5. Оспенникова Е.В. Использование коллекций ЦОР в проектировании учебных материалов / Е.В. Оспенникова и др. - М.: НФПК, 2008. - URL: http://www.sсhool-collection.edu.ru/.
6. Пеннер Р. «Программирование во Flash» - СПб.: Питер, 2005. - 432 с.: ил.
