CC BY
17
Богданов А.А.,1 Чиркова Л.Н.2
1 ФГАОУ ВПО «САФУ им. М.В.Ломоносова», г. Архангельск, института математики, информационных и космических технологий (ИМИиК), магистрант 2 курса a2bogdanov@yandex.ru
2 ФГАОУ ВПО «САФУ им. М.В.Ломоносова», г. Архангельск, к.п.н, доцент кафедры экспериментальной математики и информатизации образования института математики, информационных и космических технологий (ИМИиК), lncir@yandex.ru
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ПО РЕШЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В ШКОЛЕ
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Решение физических задач, формирование навыка, программный тренажер. АННОТАЦИЯ
В статье обсуждается особенности проектирования программного обеспечения для самостоятельной интенсивной тренировки комплекса навыков решения физических задач у старшеклассников.
Необходимость новой волны индустриализации России, базирующейся на конвергенции биоинженерных, когнитивных, информационных и нанотехнологий (NBIC-технологии), формирует повышенные требования к подготовке кадрового обеспечения, качество которого закладывается в школьной системе образования. Для эффективного изучения NBIC-технологий школьникам необходимо овладеть современной физической картиной мира. Это необходимый и обязательный навык для поступления в инженерные вузы. Более того, преподавание физики в школе имеет целью не сообщение полезных сведений, а развитие человека. И физика, которая по мнению Г.Н. Степановой является интеллектообразующей наукой идеально походит для этого.
Устойчивый навык решения физических задач позволяет говорить о глубоком понимании школьником физических законов и умении их практического применения для анализа конкретных физических явлений. Именно поэтому в последние десятилетия много внимания уделяется электронным образовательным ресурсам (ЭОР), способным повысить качество школьного образования.
За последние два десятилетия информатизации образования накопился большой практический опыт применения компьютерных технологий в образовательном процессе. Создано большое количество электронных образовательных ресурсов. Хорошо проработаны многие аспекты методики преподавания физики в контексте применения новых информационных технологий. Хорошие практические и теоретические результаты получены по применению виртуальных физических лабораторий в учебном процессе. Разработана методика решения задач вычислительной физики. Разработаны тренажеры для формирования умений, необходимых для решения некоторых физических задач. Но, как отмечается в работе [1], «более двух третей учащихся, как показывают экспериментальные исследования разных авторов, испытывают серьезные затруднения в решении задач (другими словами неуспешны в данной деятельности)».
Знание физики и умение решать задачи по данной дисциплине являются одним из источников формирования у учащихся системного мышления, логики мышления, умения анализировать, сопоставлять, строить гипотезы, подтверждать/опровергать их, применять дедуктивный и индуктивный методы при рассуждениях, что в свою очередь является базовыми навыками квалифицированного специалиста — инженера.
В этой же работе [1], авторы ссылаются на исследование, в котором учащиеся определяют причины низкого качества домашней работы, указывая на отсутствие (недостаток) вспомогательных учебных материалов, таких как задания для самоконтроля, образцов учебной работы, рекомендаций и разъяснений. Разрабатываемый нами продукт (программный учебно-методический комплекс по решению задач по физике) как раз и предназначен для поддержки процессов самостоятельной работы учащихся направленной, прежде всего, на самостоятельное решение большого количества задач.
Развитие электронных образовательных ресурсов виртуальной предметной среды и
методики их использования в обучении могут обеспечить заметные изменения практической деятельности школьников в решении физических задач, привести к качественно новым результатам обучения.
В течении нескольких лет изучения курса физики школьникам необходимо осмыслить и в идеале, запомнить почти две сотни формул. А поскольку в каждую формулу входит не менее трех физических величин, то, очевидно, только на основные физические закономерности школьники должны решить сотни задач.
Развитие новых информационных технологий и использование учащимися тренажеров поддержки процесса решения физических задач позволит сократить время обучения и/или позволит им решить большее количество задач и тем самым повысить качество изучения физической картины мира.
В работе [2] мы отметили факт того, что современные дети много времени проводят в социальных сетях и за компьютерными играми, обеспечивая реализацию базовых психологических потребностей — общения и познания. К сожалению, остается множество вопросов к спонтанно получаемому опыту. Самостоятельная и неконтролируемая реализация этих потребностей приводит к приобретению фрагментированной и порой противоречивой картины мира, клиповому мышлению, когнитивной перегрузке восприятия, снижению концентрации внимания и, в итоге, к снижению познавательного интереса и успеваемости в школе.
Мы предлагаем удовлетворить обозначенные выше потребности путем взаимодействия ученика с разрабатываемым программным средством, формирующим устойчивые навыки решения физических задач в процессе взаимодействия с другими обучаемыми.
Анализ существующих программных средств, представленных в сети Интернет, позволил выявить один из программных продуктов, предназначенных для формирования навыков решения задач, а именно методический комплекс «PhysCoD», необходимый, в первую очередь, для реализации самостоятельной работы учащихся по подготовке к сдаче письменных экзаменов по физике и математике. Функциональность комплекса позволяет учащемуся пройти через все этапы решения физической задачи, относящейся к классу алгебраических. Разработчики комплекса называют свой продукт интерактивным электронным учебником-задачником, в котором присутствует гипертекстовое представление теоретического материала и инструмент поддержки решения физических и математических задач [3].
Программный продукт предназначен для работы на полноценной версии Windows, что ограничивает его мобильное использование. Интерфейс продукта, на наш взгляд, достаточно сложен, т.к. предполагает использование большого количества панелей и кнопок. Сегодня на рынке представлены планшеты на полноценной платформе Windows 8/8.1/10 для запуска приложений Windows, но их использование затруднено по причине адаптации, прежде всего, под управление клавиатурой и мышью. Функциональность приложения «PhysCoD» не позволяет направлять ученика в оптимальный ход решения задачи. Механизм подсказок ограничен лишь набором некоторых ошибок. Другим недостатком вышеописанного методического комплекса является заранее подготовленный разработчиками рисунок задачи, что не дает ученику возможность приобретения навыка создания собственного рисунка по тексту задачи.
Создать программный инструмент для поддержки процесса самостоятельного решения любой возможной физической задачи на современном этапе затруднительно. Физические задачи можно классифицировать по различным признакам. Поэтому в рамках разработки прототипа мы ограничим круг решаемых задач, а именно рассмотрим теоретические поставленные задачи нахождения неизвестных величин какого-либо физического явления. Поставленная задача содержит всю необходимую для ее решения информацию, за исключением справочной, и гарантированно имеет одно решение [4].
В работе [2] нами рассмотрены основные вопросы необходимые для разработки прототипа тренажера. Перечислены основные блоки интерфейса и поддерживаемые тренажером этапы решения физических задач. Мы отметили, что при проектировании программных тренажеров, в том числе различных симуляторов технологически сложных объектов, очень важным моментом является разработка пользовательского интерфейса (UI — User Interface) и протокола взаимодействия пользователя с системой (UX — User Experience). UI и UX необходимо разрабатывать максимально приближенным к опыту взаимодействия с реальным объектом.
В нашем случае объектом симуляции является процесс решения задачи. Соблюдение сходства моделируемого и реального объекта обеспечивает быстрый и качественный перенос полученного опыта с симулятора на реальный объект. Нарушение сходства приводит к
формированию опыта пригодного только для работы на симуляторе. Перенос опыта с плохо спроектированного симулятора на реальный объект будет сопровождаться возникновением ошибок, в нашем случае, ошибок обучаемого в процессе самостоятельного решения физической задачи с помощью ручки и карандаша на листе бумаги. Поэтому интерфейс приложения должен обеспечивать максимальное подобие процесса типичного оформления решения физической задачи.
Именно поэтому при проектировании интерфейса необходимо использовать стандартный алгоритм действий решения физической задачи, который можно описать следующими шагами:
- изучить формулировку задачи;
- записать известные величины и параметры;
- обозначить искомые величины;
- перевести величины в СИ;
- составить чертеж или схему;
- написать формулу или закон, по которым находится искомая величина; написать дополнительные формулы;
- выполнить алгебраические преобразования; подставить численные значения в итоговую формулу;
- вычислить ответ;
- проанализировать полученный ответ;
- записать ответ.
В процессе разработки нескольких версий прототипа интерфейс приложения постепенно трансформировался с учетом современного плоского дизайна и необходимостью взаимодействия с программой посредством сенсорного интерфейса мобильных компьютеров с относительно небольшим экраном (Рисунок 1).
Дано:
т1 = 200 кг РI 2500 Н т = 20 кг
Г = ? а = ?
Найти силу натяжения тр с ускорением, если к оли приложена сила 2500Н. I
|шв1 аЬс
1' О г-
Рис.1. Эскиз интерфейса основного окна
В работе [5] мы рассмотрели типовые сценарии взаимодействия пользователей с программой на мобильных устройствах. Определены основные объекты манипуляции и способы изменения их состояния и отношений по средствам жестов, характерных при работе с сенсорными экранами.
В соответствии с этим алгоритмом в начале работы с приложением пользователю необходимо ознакомиться с условием, выбранной им задачи. Внешний вид главной формы приложения построен по аналогии со стандартным способом оформления решения задач по физике и содержит блоки «Условие», «Дано» и «Найти», а так же поле для вывода формулы и расчета ответа (Рисунок 2).
1 iUITHHi ^llMllfi Ilrti iniWrLlKl itpfHi O.KJ
О к
m=100 кг
(=15 с g = 9.81 м/с'
Найти мощность Л/= 1960 Вт электродвигателя подъемника, поднимающего груз т=100'кг нэ высоту /1=30 м за ?=15 с. Массой платформы пренебречь.
N = ?
Р,„яж = m'g
А = Fm»*'h = mTh
хт A h
N= — = mg—-
t
t
Рис.2. Прототип интерфейса основного окна
Далее следует заполнение блока «Дано», путем вычленения из условия задачи данных, которые потребуются для решения задачи. Физические величин (далее ФВ) могут быть указаны в условии в виде числа, обозначены в общем виде или косвенно. Например, тело начинает двигаться, то есть vo = 0. Ввод данных можно осуществить «перетаскиванием» численных значений ФВ из текста задачи на блок «Дано». Одна строка в блоке «Дано» определяется набором: физической величиной и физическим смыслом; буквенным обозначением (с индексом); численным значением; единицей измерения.
Форма ввода единиц измерения направлена на усиление понимания смысла единиц измерения и позволяет вводить основные и производные единицы, как в системе СИ с допустимыми приставками, так и внесистемные единицы с дальнейшим переводом в СИ.
Следующим этапом будет запись формул/законов, необходимых для решения задачи. Если пользователь не помнит формулы, то необходимо предоставить ему возможность обратиться к справочнику формул. Справочник должен обладать эффективной системой навигации и полнотекстового поиска формул.
При выборе необходимой формулы из справочника, шаблон формулы должен переноситься на главную форму. И затем в каждую позицию шаблона формулы пользователю необходимо перенести ФВ объектов задачи, обозначенных им ранее. Формулу можно ввести с виртуальной клавиатуры, используя знаки математических операций и ФВ из блока «Дано».
Для того чтобы из формулы выделить какую-либо ФВ, нужно перетащить ее в свободное место на экране. Подстановка в другую формулу производится перетаскиванием выделенной ФВ на заменяемую ФВ в другой формуле.
Чтобы осуществить численную подстановку, необходимо нажать на символ «=». Если нет конфликта единиц измерения, подсчет результата осуществляется автоматически.
На следующем шаге необходимо проверить правильность выполненных расчётов и хода решения задачи. При этом алгоритм проверки хода решения должен не просто дать положительное или отрицательное заключение, а пояснить и подсказать, что было сделано не так и что необходимо сделать для достижения правильного результата.
В процессе решения могут совершаться ошибочные действия и для отката будет полезен инструмент Undo/Redo. Инструмент TimeLine позволит просмотреть все промежуточные шаги, а также запустить анимацию хода решения задачи.
На сегодняшний день в прототипе реализовано вычислительное ядро, которое позволяет выполнять операции над различными единицами измерения и обеспечивать контроль их значений и размерности. Объектная модель состоит из более чем десятка различных объектов. В коллекции занесены единицы измерения, приставки и ряд других объектов. Уделено внимание разделению базовых и производных единиц измерения. Алгоритмы вычисления и контроля размерностей единиц измерения описаны в статье [6].
Для примера рассмотрим раздел механики. В этом случае достаточно использовать трехмерные векторы для представления размерности физических величин. Компоненты вектора, определяющего размерность единицы измерения, будут отвечать за показатель степени времени,
расстояния и массы — (t,h,m). В таком представлении в модели данных физической величины масса будет иметь размерность, обозначаемую вектором (0,0,1), расстояние (0,1,0), время (1,0,0), а производные физические величины, например, площадь (0,2,0), скорость (-1,1,0), ускорение (2,1.0), сила (-2,1,1), работа/энергия (-2,2,1), мощность (-3,2,1) и т.д.
Теперь можно написать программу проверки корректности формул физики (с точностью до констант!). Например, кинетическая энергия E = m*VA2/2:
(0,0,1)+(-1,1,0)*2 = (-2,2,1) => получили размерность энергии.
Недостаточно проработанным остается вопрос реализации системы подсказок и контроля хода решения задачи. На данный момент очевидно, что необходимую функциональность целесообразно обеспечить экспертной системой, с полноценной базой знаний, охватывающей физическую картину мира, и машиной логического вывода.
В заключении, хотелось бы отметить ряд интересных вопросов, возникших в процессе проектирования и разработки прототипа. В процессе проектирования пользовательского интерфейса на каждом шаге нам приходится балансировать между необходимостью придерживаться последовательности этапов хода решения задачи и желанием автоматизировать эти этапы. С одной стороны, автоматизация ускоряет процесс решения задачи, но не формирует необходимые знания, умения и навыки в полном объеме. С другой, автоматизация позволяет существенно ускорить процесс решения задачи и тем самым расширить охват курса физики и сформировать более устойчивые навыки.
В итоге был продуман вариант совмещения двух крайностей: сформированные устойчивые навыки будут заменяться автоматическими вычислениями. Для этого в процессе взаимодействия школьника с тренажером выстраивается модель ученика, а именно модель текущего усвоения комплекса знаний, умений и навыков. И если некоторый этап решения задачи выполняется учеником достаточно быстро и без ошибок, тогда он заменяется автоматическим действием. Например, навык перевода из одних единиц измерения в другие очень важен и по мере перевода фиксируется скорость и точность перевода и в дальнейшем, ученик всё чаще поощряется автоматической конвертацией единиц измерения к СИ. Аналогично можно подойти к операциям сокращения и вывода формул, вычисления значения ответа и его размерности.
Таким образом, разработка учебно-методического комплекса, основанная на решении задач по физике методом размерности, обеспечит эффективность обучения, направленного на самостоятельную работу учащихся по овладению навыками, необходимыми для решения физических задач и подготовки к ЕГЭ.
Литература
1. Оспенников А.А., Оспенникова Е.В., Проблема обучения будущих учителей физики применению средств ИКТ на учебных занятиях по решению задач: состояния и направления разработки // Вестник ПГГПУ Серия: информационные компьютерные технологии в образовании, Вып. 8, 2012. с.4-16
2. Богданов А.А, Казимирова Л.Д. Методический комплекс для формирования навыка решения физических задач в старших классах общеобразовательной средней школы // Межд. науч/практ. конф-я «Теоретические и прикладные аспекты математики, информатики и образования», САФУ 2014. с.76-81
3. Новожилов В.П., Жданов Л.И., Галлямов С.Р. Методический комплекс для ДО физике в старших классах общеобразовательной средней школы // VIII Межд. науч/практ. конф-я «Современные ИТ и ИТ-образование»
4. Беликов Б.С. Решение задач по физике. Общие методы. М.: Высшая школа, 1986. — 256с.
5. Богданов А.А., Казимирова Л.Д., Особенности разработки Multy-Touch интерфейса программного тренажера решения физических задач // Сборник статей VI международной конференции «Информационные технологии для новой школы», СПб, 2015, т.2, с.154-157
6. Богданов А.А., Физика в концептах информатики через NUI взаимодействие с датчиком Intel Realsens / / Труды XIII Всероссийской конференции «Преподавание информационных технологий в РФ», http://www.it-education.ru/section/148/15492/.
