CC BY
154ИНСТРУМЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ - „■■■' РЕСУРСОВ
УДК 53 (072.3)
А.Н. Иванов
РАЗРАБОТКА ЦИКЛА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ШКОЛЬНОГО КУРСА ФИЗИКИ СРЕДСТВАМИ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Дается описание и анализ цикла разработанных автором виртуальных лабораторных работ по курсу физики средней школы. Обсуждаются уровни интерактивности компьютерных моделей. Анализируются возможности инструментальной среды Stratum 2000 как инструмента их создания. Представлены сценарии основанных на интерактивных моделях лабораторных работ, реализованных в среде Stratum 2000. Оцениваются возможности использования этих моделей в обучении.
Ключевые слова: обучение физике, цифровые образовательные ресурсы, компьютерное моделирование, виртуальные лабораторные работы, инструментальная среда Stratum 2000 Professional.
Общество и государство заинтересованы в развитии передовых ТУ-технологий и их внедрении во все сферы общественной деятельности, что в первую очередь связано с необходимостью повышения производительности труда. Навыки использования этих технологий формируются в том числе в ходе учебной деятельности школьников, поэтому применение компьютеров в обучении общеобразовательным дисциплинам является важнейшей задачей.
В период 2005-2008 гг. по заказу Министерства образования и науки РФ и при финансовой поддержке Международного банка реконструкции и развития в России осуществлялся проект «Информатизация системы образования» (ИСО-2005/2008). Проект ИСО послужил основой для создания современной «Концепции федеральной целевой программы развития образования на 2011-2015 г.». Целью проекта был переход образовательных учреждений на новый уровень использования информационных и коммуникационных технологий в учебном процессе, начало активного и повсеместного использования цифровых образовательных ресурсов.
Чтобы дать жизнь новым конструкторским разработкам, внедрить новые технические решения в производство или проверить новые идеи, нужен эксперимент. Во многих случаях реальный объект исследования заменяют в эксперименте его моделью - вспомогательным реальным объектом или абстракцией, которые обладают существенными чер-
© Иванов А.Н. • 2014
тами исходного объекта или явления. Модель используется для изучения этого объекта или явления и обладает прогностическими свойствами [6].
С развитием вычислительной техники появился новый вид исследования - основанный на математической модели объекта компьютерный (или вычислительный) эксперимент, который применяется как в научных исследованиях, так и в образовании.
Существует целый ряд причин, по которым компьютерный эксперимент в школе допустим и целесообразен. Уровень оснащения школ компьютерами следует признать более благополучным, нежели современным лабораторным оборудованием. С другой стороны, не всякое явление может быть изучено на реальном оборудовании. Встроенные в компьютерные модели экспертные системы оценивания действий учащихся способны оказывать серьезную помощь учителю в формировании у школьников системы умений и навыков. Интерактивные модели могут быть полезны при подготовке к выполнению реальных лабораторных работ, к контрольным работам и экзаменам; важную роль они играют при дистанционном обучении. В связи с этим актуальна разработка и внедрение в учебный процесс интерактивных моделей, в том числе виртуальных лабораторных работ, которые позволяют школьнику в диалоге с компьютером осуществлять деятельность, соответствующую основным этапам реальной лабораторной работы.
Таким образом, виртуальный лабораторный практикум не может и не должен заменить лаборатории с реальными установками и приборами. Однако он может и должен стать эффективным дополнительным средством обучения, занять одну из ниш в структуре обновленного образовательного процесса.
Уровни интерактивности цифровых образовательных ресурсов
Цифровые образовательные ресурсы (ЦОР) можно классифицировать по формам взаимодействия с пользователем как пассивные и активные. Пассивные ЦОР предъявляют субъекту обучения информацию, но при этом никоим образом не инициируют ее восприятие и переработку.
Для активных ЦОР, к которым относятся модели, выделяют [5] различные формы их взаимодействия с пользователем: условно-пассивные, операционно-активные, дея-тельностные и исследовательские. В соответствии с этими формами говорят о четырех уровнях интерактивности ЦОР. Формы взаимодействия и уровни интерактивности определяют степень самостоятельности субъекта обучения.
1. Условно-пассивные формы взаимодействия.
Это форма взаимодействия, при которой от ученика требуется выполнять набор простейших действий: работа с клавишами «Пуск», «Стоп», «Пауза» и т.п. Целью работы с такими объектами является прежде всего предъявление готового знания.
К условно-пассивным формам взаимодействия относятся:
• чтение текста;
• просмотр графики;
• прослушивание звука;
• просмотр динамических изображений (видео и анимаций);
• восприятие и анализ аудиовизуальных композиций.
В плане отличия от пассивных форм взаимодействия ключевым здесь является слово «анализ». Эффективность использования в обучении ЦОР с интерактивностью первого уровня будет очень низкой, если не обеспечена обратная связь, т.е. не осуществляется контекстный контроль: думает ли ученик? Понимает? Усваивает? Обратную связь могут обеспечить сопровождающие ЦОР вопросы (кнопка «Вопросы» на рис. 1). Комплексы моделей и подобных вопросов в статье [1] названы мультиплетами. Мультиплет-ная структура компьютерной среды существенно повышает активность обучения.
Вес тела при ускоренном подъеме и спуске
[ Помощь | ( Вопросы | | Запуск ] 1 Сброс ]
Рис. 1. Модель 1-го уровня интерактивности («Интеллектуальная школа», Институт инновационных технологий (ИИТ))
Первым уровнем интерактивности могут обладать не только модели, но и более простые ЦОР, анимации и видеодемонстрации, если они сопровождаются соответствующими вопросами. ЦОР более высоких уровней интерактивности - всегда модели.
2. Операционно-активные формы взаимодействия.
Особенность ЦОР 2-го уровня интерактивности заключается в том, что пользователю предлагается выполнять операции, доступные через посредство интерфейса. Целью также является усвоение материала, но при широком спектре возможных действий (рис. 2).
К активно-операционным формам относятся:
• навигация по элементам текстографического контента модели;
• копирование элементов контента и визуального ряда модели в буфер;
• множественный выбор действий из некоторого перечня, включая выбор параметров модели и управление ими в ходе расчета;
• масштабирование изображения для детального изучения;
• изменение пространственной ориентации объектов;
• изменение азимута и угла зрения;
управление модельной композицией.
Рис. 2. Модель 2-го уровня интерактивности («Интеллектуальная школа», ИИТ)
3. Деятельностные формы взаимодействия.
Целью ЦОР 3-го уровня интерактивности является обеспечение форм деятельности, обеспечивающих конструктивное взаимодействие пользователя с учебными объектами/процессами путем следования заданному алгоритму. Отличительной особенностью данного уровня интерактивности является наличие большого числа степеней свободы. Также для данного уровня характерны: выбор последовательности действий, приводящей к достижению учебной цели, необходимость анализа на каждом шаге и принятия решений в заданном пространстве параметров и определенном множестве вариантов. Ученик может выполнять только те действия, которые заранее определены системой.
К деятельностным формам относятся:
• удаление/введение объекта в активное окно модели;
• перемещение элементов модели для установления их соотношений, иерархий;
• совмещение объектов для изменения их свойств или получения новых объектов;
• составление определенных композиций объектов;
• объединение объектов связями с целью организации определенной системы;
• изменение параметров/характеристик объектов и процессов;
• декомпозиция и/или перемещение по уровням вложенности объекта, представляющего собой сложную систему.
На модели такого уровня интерактивности может быть поставлена задача типа «выясни, что будет, если ...»; «сделай так, чтобы ...»; «выполни расчет ситуации». Интерфейс обеспечивает не только управление моделью, но и обратную связь, позволяющую контролировать ход модельного эксперимента и качество выполнения задания.
При этом обратная связь может быть как чисто информационной, так и направляющей действия учащегося. В первом случае контроль над выполнением задания осуществляет сам учащийся с помощью различных индикаторов интерфейса модели. Примером может служить работа учащегося с моделью, представленной на рис. 3. Модель позволяет учащемуся задать параметры смешиваемых жидкостей такими, чтобы получить заданное количество смеси с заданной температурой. Эти параметры выведены на интерфейс и контролируются учащимся. Во втором случае можно говорить о наличии в составе модели экспертной системы. Более сложные формы взаимодействия подразумевают более сложную экспертную систему. Экспертная система часто несет также функцию оценивания действий учащегося. В более простом варианте это может реализовы-ваться и для ЦОР 1-го и 2-го уровня интерактивности.
Рис. 3. Модель 3-го уровня интерактивности («Интеллектуальная школа», ИИТ) 4. Исследовательские формы взаимодействия.
Целью ЦОР 4-го уровня интерактивности является обеспечение исследовательских форм работы учащихся, ориентированных на производство собственных событий. События вызывают изменение сущности, внешнего вида, параметров, характеристик представляемых объектов, процессов, явлений. Главной особенностью исследовательских форм является возможность получения множества комбинаций/состояний объектов/процессов, в том числе не определенных заранее. На любом шаге позволяется сделать любой выбор и производить следующие шаги до получения некоторого результата. При этом ни один выбор не квалифицируется как неверный. Учащемуся предоставляется
возможность самостоятельно убедиться в практической полезности полученного конечного результата и/или получить итоговую оценку результативности своих действий. В качестве примера ЦОР 4-го уровня интерактивности на рис. 4 представлен один из вариантов сцены для конструктора ситуаций по теме «Относительность движения», позволяющего отображать движение различных тел в системах отсчета, связанных с землей и с любым выбранным телом. Доступным является также прогнозирование формы траекторий (их отрисовка с помощью «мыши»). Сценарий данного конструктора впервые описывается и первая его реализация обсуждается в работе [4].
Рис. 4. Модель 4-го уровня интерактивности («Интеллектуальная школа», ИИТ)
Модели всех уровней интерактивности могут (хотя и не обязаны), как было сказано выше, содержать обратную связь, основанную на экспертной системе, выполняющей оценочную функцию. Автор статьи занимался разработкой именно таких моделей.
Возможности инструментальной среды Stratum 2000 для создания интерактивных моделей
Инструментальная среда Stratum 2000 [3] представляет собой средство быстрой разработки и моделирования систем имитационного и математического моделирования с использованием визуального и объектно-ориентированного проектирования, что позволяет свести к минимуму ручное программирование. Моделирование системы начинается с проектирования информационной модели.
Проект - целостная конструкция, в нашем случае реализующая идею постановщика-методиста. Состоит из совокупности схем, одна из которых обязательно корневая (главная). Проект содержит модель изучаемого объекта и инструменты ее визуализации.
Каждая схема является частью проекта, но одновременно выступает как самостоятельный элемент библиотеки моделей, т.е. может использоваться и в других проектах.
Элемент схемы (имидж) - модель элемента систем, выраженная в виде изображения и текста, который может быть интерпретирован и исполнен средой. Схемы и имиджи вступают между собой в отношения иерархии. Имидж входит в состав схемы, одновременно он сам может быть схемой и состоять из связанных между собой имиджей. Таким образом, в проекте можно реализовать неограниченную вложенность.
Программная реализация имиджей может быть скрыта от пользователя, так что использование процедуры проектирования, вообще говоря, не требует специальных знаний в области программирования. Среда моделирования обеспечивает удобный для пользователя интерфейс, предоставляя полную свободу действий при проектировании информационной модели. Модель целой предметной области представляется в системе конструктором, т.е. набором элементов с достаточно простыми законами поведения, причем пользователь может собрать элементы в систему практически так же, как собирают сложный прибор из отдельных блоков. При помещении таких элементов на рабочее поле они начинают обмениваться сигналами между собой, взаимодействовать друг с другом, проявлять совместные согласованные поведение и свойства. Таким образом, проект содержит модель сложной системы со сложным поведением.
Комплекс виртуальных лабораторных работ по курсу физики средней школы
Автором настоящей статьи были разработаны модели разных уровней интерактивности (см., например, рис. 1, 3-4). Однако основной интерес был связан с разработкой виртуальных лабораторных работ, имитирующих известные реальные лабораторные работы, но содержащих обратную связь, которая основана на экспертной системе, выполняющей оценочную функцию. Значительный по объему и тематике цикл таких работ для поддержки курса физики средней школы был разработан на базе сред Stratum 2000 и Adobe Flash. Цикл включает следующие работы:
1. Измерение размеров малых тел.
2. Определение объема тела с помощью мензурки.
3. Градуировка пружины и измерение силы динамометром.
4. Определение коэффициента упругости пружины.
5. Определение работы при подъеме тела по наклонной плоскости.
6. Определение плотности жидкости с помощью жидкостного манометра.
7. Изучение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело.
8. Изучение условий плавания тела на поверхности жидкости.
9. Измерение радиуса кривизны линзы по картине колец Ньютона.
10. Измерение длины волны света при дифракции на решетке.
Программная реализация для каждой работы цикла предусматривает построение иерархии проектов, состоящей из головного проекта и одного или нескольких подпроек-тов моделей. В качестве примера рассмотрим виртуальную лабораторную работу «Градуировка пружины и измерение веса тела динамометром».
Описание головного проекта виртуальной лабораторной работы
На главном экране формулируется цель лабораторной работы, перечисляются приборы и материалы, используемые в ее реальном аналоге, и излагается краткая теория изучаемого эффекта; здесь же приводится статичное изображение модели и вспомогательные элементы (рис. 5а). В левом верхнем углу расположена иконка, нажатие которой открывает всплывающее окно с информацией о жанре ресурса (рис. 5б). В основном окне находятся кнопки с указаниями по выполнению работы (рис. 5в) и перехода к модели, на нижней панели размещены кнопки описания модели (рис. 5г) и выхода.
1. Нарисуйте нулевую отметку шкалы (при ненагруженной пружине) и подпишите ее
2. Нарисуйте деления соответствующие целочисленным значениям веса груза (в Ньютонах). Для этого используйте подставку и грузы.
3. Пронумеруйте нарисованные целочисленные деления
4. Нарисуйте деления, соответствующие полуцелым значениям веса груза (в Ньютонах). Для этого используйте подставку и грузы.
5. Определите массу данного тела.
Данная модель является имитацией классической лабораторной работы градуировки динамометра. Экспертная система контролирует правильность действий, в том числе отрисовку и оцифровку делений строящейся шкалы. Результатом работы является шкала с ценой деления 0:5 Ньютона, которая позволяет произвести контрольное измерение - взвесить дополнительное тело, масса которого при каждом запуске модели генерируется заново.
Рис. 5. Модель «Градуировка пружины и измерения сил динамометром»: а) главное меню; б) иконка жанра; в) указания по выполнению; г) описание модели
Описание модели виртуальной лабораторной работы
Данная модель является имитацией классической лабораторной работы, посвященной градуировке динамометра. Цель работы - научиться градуировать пружину, строить шкалу и с ее помощью измерять силы. Основная сцена (рис. 6) содержит динамическую модель установки. В ее состав входят: динамометр с закрытой шкалой, штатив и набор грузов. В правом нижнем углу расположены инструменты - карандаш и ластик, а также текстовые объекты для подписи шкалы. В левой части окна пошагово, по мере выполнения работы выводится описание необходимых действий. На нижней панели располагаются кнопки «Готово» (запуск оценки экспертной системой действий в пределах очередного шага), «Помощь», и кнопка выхода из проекта.
Рис. 6. Модель «Градуировка пружины и измерения сил динамометром»
Математическая модель, описывающая затухающие колебания пружинного маятника, имеет вид:
а:=~§-(~к/~т)*~х-(~^~т)*~у 1:=~х+~10
Здесь 10 - собственная длина пружины, х - ее удлинение, вызванное действием грузов. Параметрами модели являются жесткость пружины и ее собственная длина (генерируются моделью, скрыты от пользователя), масса подставки и грузов (имеют известные значения, описанные в «Помощи»).
В ходе выполнения работы учащемуся предлагается построить шкалу динамометра. На первом шаге требуется нарисовать нулевую отметку шкалы и подписать ее. Чтобы
нарисовать линию, необходимо активировать инструмент «карандаш». Для этого требуется кликнуть мышью на его изображении, после чего курсор приобретет вид карандаша. Реализация действия в среде Stratum 2000 обеспечивается функцией:
if(~ButtonUp) ButtonUp:=0 ShowCursor(0) ShowPen:=1
ret:=ObjectToTop2d(~HSpace,~HObjLast) endif
Рис. 7. Модель «Градуировка пружины и измерения сил динамометром»: а) построение линии; б) подпись деления шкалы
Для отрисовки линии следует зажать левую кнопку мыши и, не отпуская ее, переместить мышь в горизонтальном направлении. Для этого используется функция CreatePolyLine2d. Пример ее реализации:
CreatePolyL¡ne2d (~HSpace,~HPen,#0,~mnx,~mny,~mkx,~mny)
Окончание отрисовки линии осуществляется отпусканием левой кнопки мыши (рис. 7а). Если нарисованная линия не соответствует положению закрепленной на пружине стреки, то ее можно стереть, воспользовавшись «ластиком». Чтобы подписать деление шкалы, необходимо навести курсор мыши на нужную цифру, расположенную справа от грузов, нажать левую кнопку мыши, затем, не отпуская левой кнопки мыши, перемещать курсор до нужного деления, после чего отпустить левую кнопку мыши (рис. 7б).
На втором шаге требуется построить деления, соответствующие целочисленным значениям веса груза. Для этого необходимо использовать подставку и грузы. Подставку следует крепить за крюк пружины, грузы - помещать на подставку. Для их перемещения нужно навести курсор на объект, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская, перемещать в желаемую точку экрана. Чтобы зафиксировать объект, следует отпустить левую кнопку
мыши. Если выбранное положение объекта является неверным, экспертная система вернет его в начальное положение.
На третьем шаге нужно пронумеровать нарисованные целочисленные деления. На четвертом - построить деления, соответствующие полуцелым значениям веса груза. На пятом для дополнительного тела определить его массу, которая генерируется в модели, и записать полученный результат в поле ввода.
Экспертная система отслеживает все действия учащегося. На каждом из шагов после нажатия на кнопку «Готово» выводится сообщение с подсказкой по текущему шагу. Подсказки реализованы следующим образом:
switch case (~result == 1)
MessageBoxText := Chr case (~result == 2)
MessageBoxText := Chr case (~result == 3)
MessageBoxText := Chr case (~result == 5)
MessageBoxText := Chr case (~result == 6) MessageBoxText := Chr resultfrom5:=5 case (~result == 7)
MessageBoxText := Chr case (~result == 8)
MessageBoxText := Chr case (~result == 10)
MessageBoxText := Chr case (~result == 9)
MessageBoxText := Chr case (~result == 11) MessageBoxText := Chr endswitch
При заполнении полей ввода числовой информации экспертная система отслеживает правильность и точность вводимых данных. Например, массу груза требуется ввести с точностью до сотых; если ввести ее с точностью до десятых, экспертная система отреагирует подсказкой: «Массу груза следует ввести с точностью до сотых долей».
Имеются также графические подсказки. Например, рамка поля ввода может приобретать различный цвет в зависимости от ситуации. Когда экспертная система ожидает ввода числа, и поле ввода пусто или еще не нажата кнопка «Готово», рамка имеет желтый цвет. Если введено неверное значение, - окрашивается в красный цвет, если введенное значение верно - в зеленый (рис. 8а).
После выполнения всех шагов выводится сообщение о завершении работы и происходит переход в головной проект, причем на кнопке перехода к модели «загорается» лампочка. Зеленый ее цвет означает, что работа была выполнена успешно, красный - что не была завершена.
10) + " Нарисуйте нулевую отметку шкалы и подпишите ее "
10) + " Не все деления нарисованы "
10) + " Не все деления пронумерованы "
10) + " Определите массу данного груза "
10) + " Все верно "
10) + " Масса груза определена неверно "
10) + " Массу груза следует ввести с точностью до сотых "
10) + " Недостаточное число знаков после запятой "
10) + " Избыточное число знаков после запятой "
10) + " Подвесьте груз на пружине "
Особенности интерфейса описанной модели позволяют отнести ее к третьему уровню интерактивности. Именно предусмотрены активные взаимодействия пользователя с различными объектами, используется технология Drag&drop, симулируется отри-совка и стирание делений шкалы «вручную, как на листе бумаги».
Оценивание действий учащихся
Оценивание действий учащегося и корректности результатов, выдача подсказок и констатация достижения цели работы осуществляется экспертной системой модели.
Регламентация последовательности действий обеспечивает предусмотренное пошаговое выполнение работы и корректное взаимодействие с элементами интерфейса модели. Правильность результатов измерений позволяет отслеживать введенные учащимся данные и построенные графики на верность вычислений и точность (см. рис. 8а). Подсказки помогают сориентироваться в порядке выполнения работы, указывают на наличие и содержание ошибки. Кроме того, возможен этап анализа данных, обобщения, вывода, подведения итога в форме выполнения контрольного задания или теста.
В работах «Измерение размеров малых тел», «Определение коэффициента упругости пружины», «Определение плотности жидкости с помощью жидкостного манометра» экспертной системой контролируются технология измерения, правильность расчета и корректность записи результата (см. рис. 8а), построение графика (рис. 8б).
1 2 3 4 5
« =с Л, см 1,0 2,0 3,0 5,0 8,0
о ш р, см вод ст. 1,0 2,0 3,0 5,0 8,0
6 £ Л, си 3,0 4,0 I I I I I I
г % X X р, см вод ст 6,0 I 7,0 I I I I I I I
точка • • • •
Рис. 8. Визуализация некоторых функций экспертной системы в работе «Определение плотности жидкости... »
Кроме того, в последней из названных работ выполняется обобщающий тест: фиксируются изученные закономерности и свойства, определяется неизвестная жидкость по измеренному значению плотности (рис. 9).
Рис. 9. Обобщающий тест к работе «Определение плотности жидкости...»
После выполнения работы учащемуся выставляется отметка - «загорается» лампочка (рис. 10). Цвет лампочки соответствует качеству выполнения этапов работы: зеленый - безошибочное выполнение, желтый - были допущены ошибки, но работа была закончена, красный - выполнение было прервано, черный - этап не выполнялся.
Отметим, что первая версия сценария и реализация виртуальной лабораторной работы по изучению жидкостного манометра средствами Adobe Flash была представлена в публикации [2]. В настоящей статье приведена обновленная реализация этой работы в среде Stratum 2000, включающая дополнительные компоненты сценария и экспертизу действий учащегося.
Рис. 10. Фиксация результатов выполнения работы
В работе «Изучение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело» анализируются вытекающие из табличных данных частные закономерности: от чего давление зависит и не зависит, каков характер зависимости (рис. 11).
Рис. 11. Анализ закономерностей по табличным данным (начало)
Рис. 11. Анализ закономерностей по табличным данным (окончание)
В лабораторной работе «Градуировка пружины и измерение сил динамометром», как было сказано выше, экспертная система контролирует действия учащегося по построению шкалы (см. рис. 7) и правильность определения массы контрольного груза.
Обзор всех реализованных автором функций экспертной системы по оцениванию действий учащихся и их использование в лабораторных работах обсуждаемого цикла представлены в таблице.
Таблица
Функции оценивания действий
Название виртуальной лабораторной работы Контроль последователь-ности действий Контроль результатов измерений Контроль правильности расчета Построение графика или шкалы Анализ частных закономерностей Форму-лирова-ние за-коно-мерностей Обобщаю-щий тест
1 2 3 4 5 6 7 8
Измерение размеров малых тел + + + - - - -
Определение объема тела с помощью мензурки + + + - - - -
Градуировка пружины и измерение сил динамометром + + + + - - -
Определение коэффициента упругости пружины + + + - - - -
Определение работы при подъеме тела по наклонной плоскости + + + - - - -
Определение плотности жидкости с помощью жидкостного манометра + + + + - - +
Окончание табл.
1 2 3 4 5 6 7 8
Изучение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело + + + - + - -
Изучение условий плавания тела на поверхности жидкости + + + - - + -
Измерение радиуса кривизны линзы по кольцам Ньютона + + + - - - -
Измерение длины волны света при дифракции на решетке + + + - - - -
Автор полагает, что модельный лабораторный стенд делает работу учащегося более автономной и одновременно эффективнее контролируемой, чем при аналогичном реальном эксперименте. Эксперт-учитель, впрочем, весьма желателен - как консультант и итоговый «оценщик», однако значительную часть работы выполняет экспертная система.
Методика проведения компьютерного учебного эксперимента
При проведении лабораторных работ на компьютерных моделях у учителя появляется выбор в методике проведения исследовательских работ: натурный эксперимент, модельный или комбинированный. В последнем случае возможны три варианта ролей и соотношений реальной и виртуальной составляющих занятия.
1. Параллельный натурно-виртуальный лабораторный эксперимент (рис.12).
Рис. 12. Параллельный натурно-виртуальный лабораторный эксперимент
Достоинством схемы проведения параллельного натурно-виртуального лабораторного эксперимента является возможность сравнивать результаты натурных измерений и компьютерного моделирования. Кроме того, существует потенциальная возможность расширять область натурных измерений на параметры, которые невозможно обеспечить в условиях учебной лаборатории.
2. Последовательный натурно-виртуальный лабораторный эксперимент (рис. 13).
Праллабора-торный авнга- Защита отчета
1 1
<
ЗаЛ9Н1[ = НЕ Н!ГурНЬСИ Л1-ПЕр1СЧ£Н1 -► Натурный жг- -► Обр ас о гка результатов »ЫПерХСЧЕНГа
Г 1
■Заи ЭНН: НЕ В1[р гуальнын
ЗЕСперишвнт ЭЕСперниент
Рис. 13. Последовательный натурно-виртуальный лабораторный эксперимент
Преимуществом использования схемы последовательного натурно-виртуального лабораторного эксперимента может быть возможность расширения границ условий проведения натурного эксперимента и получения новой информации о процессах при проведении виртуальной части эксперимента.
3. Последовательный виртуально-натурный лабораторный эксперимент (рис. 14).
Преллабора-торньзс ко ллак- тяту-^г 3 алии а отчета
1 1
Заланнена Ыф гунПЬНЫН жсперименг —► В1[рГ>"1ЛЬНЫЙ —► Обрабогка. результатов »ьлпернменга
г 1
Залэнп= на Натурный жг-
нагурньлс »г- —► пертсленг
пергсменг
Рис. 14. Последовательный виртуально-натурный лабораторный эксперимент
Достоинство схемы последовательного виртуально-натурного лабораторного эксперимента состоит в возможности выдвижения гипотезы по результатам его виртуального этапа и ее подтверждения или опровержения в ходе его натурного этапа.
Комбинированный лабораторный эксперимент может выполняться в два этапа: один - в лаборатории школы, где учащиеся работают на реальном оборудовании, другой - самостоятельная работа на модели дома. Очередность прохождения этапов зависит от методической целесообразности применительно к каждой конкретной работе.
Таким образом, описанные модельные лабораторные работы обладают, как нам представляется, высоким дидактическим потенциалом. Они могут использоваться учителем физики при объяснении нового материала, применяться на этапе его закрепления, при организации лабораторного практикума. Полезна работа с моделями и в домашнем виртуальном эксперименте с целью подготовки школьников к учебным занятиям. Также
комплекс виртуальных работ может применяться при дистанционном обучении. Интерактивный характер моделей позволяет учащимся не только выработать необходимые умения, но и стимулирует их познавательную активность, развивает самостоятельность в учебной деятельности, формирует навыки самоконтроля.
Автор выражает благодарность Д.В. Баяндину за помощь на этапе разработки сценариев моделей и обсуждение материалов данной статьи.
Список литературы
1. Баяндин Д.В. Мультиплетная структура виртуальной среды обучения и технологизация учебного процесса // Образовательные технологии и общество (Educational Technology & Society). 2013. Т. 16. № 3. С. 465-488.
2. Васильченко А.А., Антонова Д.А. Проектирование и разработка интерактивных учебных моделей по физике средствами Adobe Flash // Вестник ПГГПУ. 2012. № 8. С. 65-76.
3. Мухин О.И., Мухин К.О., Полякова О.А. Среда проектирования, технологии обучения и модели знаний // Открытое и дистанционное образование. 2010. № 1. С. 54-58.
4. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Модельный компьютерный эксперимент в лабораторном физическом практикуме. Обучающий проект «SITMAKER» // Проблемы учебного физического эксперимента: сб. науч. тр. М.: ИОСО РАО, 2001. Вып. 11. С. 87-90.
5. Оспенников Н.А., Оспенникова Е.В. Формирование у учащихся обобщенных подходов к работе с компьютерными моделями // Известия Южного федерального университета. Педагогические науки. 2009. № 12. С. 206-214.
6. Штофф В.А. О роли моделей в познании. Л.: ЛГУ, 1963. 208 с.
