Научная статья на тему 'Современный компьютерный эксперимент в профильном обучении физике и информатике: методика построения и дидактический потенциал'

Современный компьютерный эксперимент в профильном обучении физике и информатике: методика построения и дидактический потенциал Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
543
67
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ / МЕЖПРЕДМЕТНЫЕ СВЯЗИ / МЕТАПРЕДМЕТНОЕ ОБУЧЕНИЕ / АГРЕГИРОВАННЫЕ ПОНЯТИЯ И СТРУКТУРЫ ДАННЫХ / УНИФИЦИРОВАННЫЕ ПРОЦЕДУРЫ / ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ / ПРАВДОПОДОБНОСТЬ И ПРОДУКТИВНОСТЬ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ / COMPUTER EXPERIMENT / INTERSUBJECT COMMUNICATIONS / THE METASUBJECT TRAINING / THE AGGREGATED CONCEPTS AND STRUCTURES OF THE DATA / THE UNIFIED PROCEDURES / INFORMATION PROCESSES / PLAUSIBILITY AND EFFICIENCY OF COMPUTER MODEL

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Таранов Михаил Степанович

Установлены психолого-педагогические условия, формы и принципы реализации и дидактический потенциал реального и виртуального компьютерного эксперимента по физике как средства развития творческого мышления; даны методы построения интегрированных курсов физика-информатика в профильной школе старшей ступени. Данные статьи могут быть использованы как методическая основа создания интегрированных курсов творческой направленности в профильном обучении школы и вуза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modern computer experiment with profile education to physics and computer science: technique of construction and didactic potential

Psychological and pedagogical conditions, forms and principles of realization and didactic potential of real and virtual computer experiment on the physicist as means of development of creative thinking are established; methods of construction of the integrated rates of the physicist-computer science at profile school of the senior step are given. This work can be used as a methodical basis of creation of the integrated rates of a creative orientation in profile training school and high school.

Текст научной работы на тему «Современный компьютерный эксперимент в профильном обучении физике и информатике: методика построения и дидактический потенциал»

УДК 372.8:53.05 М. С. ТАРАНОВ

Курганский государственный университет

СОВРЕМЕННЫЙ

КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ПРОФИЛЬНОМ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ И ИНФОРМАТИКЕ: МЕТОДИКА ПОСТРОЕНИЯ И ДИДАКТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ

Установлены психолого-педагогические условия, формы и принципы реализации и дидактический потенциал реального и виртуального компьютерного эксперимента по физике как средства развития творческого мышления; даны методы построения интегрированных курсов физика-информатика в профильной школе старшей ступени. Данные статьи могут быть использованы как методическая основа создания интегрированных курсов творческой направленности в профильном обучении школы и вуза. Ключевые слова: компьютерный эксперимент, межпредметные связи, метапредметное обучение, агрегированные понятия и структуры данных, унифицированные процедуры, информационные процессы, правдоподобность и продуктивность компьютерной модели.

Современный этап исследования и реализации межпредметных связей в физико-информационном образовании рассматривается на методологической основе интеграции и дифференциации науки (В. С. Елагина, А. В. Усова): «Взаимопроникновение интеграции и дифференциации и пауке является объективной основой развития межпредметных связей входе совершенствования предметной системы обучения» [1,16; 8]. Гносеологической основой реализации межпредметных связей в обучении является сущностное единство психологических процессов отражения в мышлении Природы, социальных и психических явлений, диалектика развития явлений и отражение развития объективных процессов в сознании. Процессуальные уровни реализации и содержание межпредметных связей (МПС) подробно исследуются в концепции МПС по различным уровням познавательных процессов (М. Н. Берулава, А. В. Усова, В. С. Елагина, С. А. Старченко, О. Л. Яворук, О. Р. Шефер). Описание внутри- и межпредметных связей с кибернетической точки зрения рассматривает Т. Н. Гнитецкая, предлагая пленарные связные графы как математическую структуру оценивания сложности и продуктивности использования общенаучных понятий (энергия, сила, поле, заряди т.п.) в связи с частотой их контекстного использования и ссылок в обучении физике. По существу, Т. Н. Гнитецкая предлагает кибернетическую концепцию, уточняющую смысл межпредметных связей с точки зрения передачи свойств объектов по каналу связи: «Межпредмегная (внутрипредметная) связь определяется нами как конструкция элементов педагогической системы, которая связывает элементы структуры меж предметного (внутринредметного) содержания образования и состоит из: объекта связи (любого элемента знаний, навыков и умений базового предмета и применяемого в связанном); капала свя-

зи — одного или нескольких элементов образова тельной технологии, адекватной предметам, между которыми устанавливается связь [2, 24|». В случае установления связей между базовым и ассоциируемым предметом (первый считается основным, а второй технологическим), модель позволяет оценить количественные параметры связей по числу отношений в ориентированном графе, который строится на каждый элемент системы знаний (понятия и системы понятий). Однако в случае построения и реализации межпредметных связейдля метанредмегов (Г. Л. Се-макин), в частности, для физики, когда средством реализации МПС является компьютерный эксперимент, состоящий из цикла логически связанных проектов измерений и последующих процедур обработки, данная модель нуждается в уточнении: необходимо не только нисходящее дерево связей, но и двунаправленные векторы отношений в иерархии понятий и агрегатов понятий, причём в качестве двунаправленного вектора связи необходимо использовать не только отношение между содержанием понятий, но и процедуры, технологии использования данного понятия в учебном модуле (проекте) н контексте модели. Мы предлагаем рассматривать наиболее общие понятия (вещество, энергия, информация, энтропия, физическая система, открытые и замкнутые системы, информационные структуры, модель) как связанныедидактические конструкты (агрегированные понятия, агрегаты) учебно-познавательной деятельности, проявляющие наряду с концептуальным содержанием дополнительные свойства технологичности, непрерывного обогащения в процессе компьютерного моделирования, которое является специфической формой учебно-исследовательской деятельности. Технология обработки информационных структур, будучи центральной в компьютерном эксперименте по физике, позиоляет реализо-

nanu. процесс интеграции физики и информационных технологий как выявление унифицированных процедур представлении физических величин и последующего обогащения их содержания с помощью компьютерной модели. Указанное связывание в дидактических целях содержания понятия и процедуры количественного измерения (агрегация) снимает проблему реализации МПС в смысле выявления изолированных свойств, присущих поня тию в рамках учебного предмета (например, вещество как реагент и химии и как системный энергетический субстра т в физике). Интеграция в данном контексте означает ряд процедур создания и последующего оценивания информационных структур (наборов данных), детализирующих и обогащающих объём понятия в контексте физической модели явления, причём компьютерный эксперимент обнаруживает свойства метапредметного курса, универсальной технологии верификации, фальсификации учебной модели, мощного средства формирования творческого мышления, исследовательских навыков. Физический компьютерный эксперимент выявляет и наглядно демонстрирует условия и границы применимости той или иной модели, а современные программные средства flash-технологии позволяют реализоватьанимированные, динамические изображения решений изучаемых уравнений, адекватные психологическим аспектам образного восприятия. Разработка методики компьютерного эксперимента по физике, учитывающая указанные выше аспекты, в настоящее время является актуальной проблемой методики физики школы. Образовательный стандарт МО РФ нового поколения предусматривает максимальное обеспечение развития субъекта образовательного процесса в обучении, для чет необходимо привлечение в учебный процесс элементов исследова тельской деятельности. В физико-математическом образовании наибольшим дидак тическим потенциалом творческого развития обладает компьютер, который, как указывает академик А. А. Самарский, «способен активизировать процесс обучения, сделать более дос тупными многие математические достижения» |3,4|. Для её решения необходимо обобщить существующее в дидактике раскрытие понятий «набор данных; физическая величина; модель» с точки зрения технологических свойств. Н. М. Бауэр справедливо указывает основные методологические аспекты диалектического развертывания обобщения МПС=>Взаимосвязь=> ^Интеграция |4,56|, однако следуеттакже выделить существующие и разворачивающиеся во времени технологические процедуры, соответствующие изучению специфических для физики как науки и как учебного предмета элементов знаний. На каждом из уровней: эмпирическом, гипотез и обобщений, физической теории, следствий из теории, экспериментальной проверки следствий (принцип верифицируемое™ и фальсифицируемости, — Н. Бор, В. Фок, К. Поппер) компьютерный эксперимент (КЭ), как комплекс связанных подзадач единого проекта исследования явления, оценки предложенной формулы, следствий теории, образует интегрированный модуль образовательного пространства, потенциал которого используется недостаточно. Трудности реализации КЭ связаны с разноплановостью учебно-познавательных действий и обучением системной деятельности, основным звеном которой является моделирование, формализованное математическое описание процесса, выявление причинно-следственных отношений между величинами (Н.Вигнер). В профильном школьном курсе физики мы предлага-

ем установить агрегированные понятия, раскрываемые содержательно в компьютерном эксперименте: кинематические — путь, скорость, ускорение, динамические — масса, импульс, энергия системы (механической, тепловой, электрической); плотность, число состояний, поле, потенциал и напряжённость поля, иоле температур, напряжённостей, скоростей; энтропия статистической макросистемы, как структуры данных. Психолого-педагогическая концепция методики компьютерного эксперимента по физике как основного дидактического средства интеграции физики и информатики должна основываться, по мнению автора, на общей методологии редукционизма научного познания и унификации технологических процедур моделирования, выявленных в своё время Ж. Пиаже. В «Эпистемологии физики» Пиаже описывает психологическую, субъектную структуру понимания как част обучения, «действия как процесса и как результата»: «Физический факт может быть понят лишь посредством логико-математической рамки, идётли речь о конста тации или об осуществлении индукции»(5,131]. Упомянутая логико-матема тическая рамка, в контексте современных технологий компьютерной физики, есть не что иное, как формализованная структура описания процесса достижении объективности в историческом развитии физики и, соответственно, аналогичной в обучении физике как предмету. Центральное для Пиаже «действие субъекта», развёртывающее диалектический процесс познания, проявляется в концепции Пиаже как принцип децентрации (дифференциации), что, в свою очередь, предполагает процедуру «реконструкции объекта в опыте субъекта», унифицирующую процесс познания и, соответственно, обучения. Данная идея может быть реализована как учебно-познавательная деятельность поэтапного создания компьютерной модели (синтеза/ из унифицированных блоков (алгоритмов базовых задач) обработки стандартных наборов данных. Дидактической основой её реализации является разработанный автором цикл физико-математических проектов (модулей разного уровня сложности программирования/, базовых задач физики, в частности, простейшие разностные схемы для дифференциальных уравнений. В процессе обучения реализуется фрейм (каркас стандартных действий и наборов данных). Принцип дифференциации является существенным в психолого-иедагогическом обосновании различных моделей интеграции физики и логико-математических дисциплин, так как позволяет выделить как содержательную компоненту интеграции, так и технологическую. В содержательном аспекте МПС первого уровня интегрированных курсов и модулей следует выделить принцип общности и соответствия структур как некоторой практической процедуры достижения эффективных результатов обучения Критерий истинности в познании Природы состоит в соответствии теоретической картины и получаемых из неё следствий данным реального эксперимента, что в современной физической науке требует множества дополни тельных процедур: соответствия ин терпретации данных эксперимента и теории. Моделирование как общий метод познания в физике обладает рядом дополнительных свойств, которые необходимо учитывать как при обучении физике в стандартном варианте, так и п интегрированном модульном курсе. Для успешной реализации модельного подхода в условиях интегрированного обучения необходимо ввести понятие «продуктивность модели». Данное понятие в контексте обучающего экс-

перимента фактически рассматривалось в ряде работ, посвященных демонстрационной и обучающей роли компьютерного эксперимен та (Г. В. Краснопё-ров, Р. В. Майер, С. Е. Попов, Ю. А. Винницкий, Л. И Ходанович), где в основном выявлены качественные стороны воздействия наглядности, доступности, визуализации количественных закономерностей применяемых компьютерных моделей в механике (зависимости пути и скорости от времени в различных условиях, траектории тел в поле силы тяжести и в электростатическом, магнитном полях); в молекулярной физике (картина броуновского движения, графики тепловых процессов и изопроцессов в идеальном газе, графики текучести и прочности, фазовые диаграммы и тройные точки систем газ — жидкость); в элек тродинамике (модели тока как электронного таза, законы электролиза, потенциальные поверхности точечных зарядов, суперпозиция электростатического поля и картины силовых линий, магнитное поле прямого и кругового тока, закон электромагнитной индукции, законы интерференции и дифракции в оптике), однако остаются открытыми вопросы: о минимальном пропедевтическом минимуме теоретических знаний по информатике, необходимом для качественного использования данных компьютерных моделей на уровне пользователя и на уровне создателя (что требует разной подготовки) в качестве дидактического средства и процесса обучения; о методике и познавательных задачах, реализуемых в использовании демонстрационного компьютерного эксперимента в учебном процессе по физике; о способах раскрытия метапредметных знаний на базе компьютерного моделирования в физике. Заметим, что сама постановка указанных вопросов возникла в условиях качественного изменения свойств компьютерных моделей в физике, которые теперь включают в себя не только виртуальный (численный) эксперимент, построенный на основе численного моделирования того или иного уравнения, но и реальный измерительный эксперимент в реальном масштабе времени (Е. Ю. Левченко, |6|) на основе нового класса приборов и новой технологии их применения в физическом эксперименте: «с использованием интеллектуального измерительного устройства произнести серию измерений, а затем, если необходимо, обработать результаты с помощью специализированно«) программного обеспечения |6,94)». Новый класс измерительных приборов для проведения физического эксперимента требует создания повой технологической базы и новых психолого-педагогических разработок конкретного их применения их в учебном процессе. В отличие от виртуального, вычислительного эксперимента, анализирующего ту или иную теоретическую концепцию с помощью моделирования программными средствами, реальный компьютерный эксперимент по физике выполняет многоцелевую дидактическую функцию: измерения, демонстрации, подтверждения или опровержения модели, не требуя пропедевтической подготовки в математическом моделировании на ПК, так как основан на непосредственном измерении современными измерительными комплексами с высокой степенью точности той или иной физической величины, например, температуры, изменяющей в процессе агрегатного превращения или нагревания тела, времени периода колебаний на основе оптодатчиков и т.н. В то же время он может использоваться как первая часть единого эксперимента, второй частью которого становится математическая обработка накопленных измерительным комплексом данных. Важные аспекты ре-

шения физических задач (принцип больших флукту-аций данных, нелинейные задачи) Moiyr быть изложены на элементарном уровне, учитывая, что основы структур данных изучаются в курсе информатики, а основы численного интегрирования и аппроксимации включены в курс математики на профильном уровне. Существенным звеном в реализации реального компьютерного эксперимента является создание специализированного программного обеспечения, адаптированного к каждой отдельной задаче физического компьютерного практикума. Существующие универсальные аппаратно-программные комплексы физического моделирования Nova5000 (Архимед) позволяют провести практические лабораторные измерения в широком спектре (механика, термодинамика, электродинамика, дифракция и интерференция в оптике, методы спектрального и Фурье-анализа), потребуют тщательной проработки задач, адаптированных к уровню познавательных возможностей учащихся. Кроме того, они ещё дороги для массового использования. В этих условиях в качестве промежуточного варианта ценной представляется предложенный Г. Г. Матаевым конструктор, превращающий компьютер в реальный экспериментальный полигон [7|: геркон; отладочный пульт; термисгор, состоящий из терморезистора и нагрузочного конденсатора; гай-мер, позволяющий измерять время с высокой точностью; генератор фиксированной частоты; фотодат-чики и схемы усиления (используемые для фиксирования завершения процессов); логические схемы инвертора, компаратора, RC-цепочки, позволяющие наблюдать физические процессы и тем самым реализовать идею межпредметных связей физика-информатика по принципу общности протекания физических и информационных процессов, связанных с передачей энергии. Вир туальный компьютерный эксперимент по физике (ВКПФ) основан на компьютерном моделировании алгоритма физической задачи и создании компьютерной программы или использовании специализированного программного обеспечения с целью проверки теоретической гипотезы, нахождения количественной зависимости (аппроксимации) экспериментальных наборов. Он представляет новую для дидактики и методики физики сферу обучения алгоритмизации и программированию, поэтому на пути создания полной и качественной методики соединения физического содержании и технологии информационной реализации возникает проблема разделения форм учебной деятельности внутри метапредметного курса (физика и компьютерные вычисления) для оп тимальной организации дифференцированного проблемного обучения. В качестве основы разделения автор предлагает фреймовый подход (М. Минский), сущность которого заключается в обучении методам компьютерного эксперимента внутри курса физики и информатики параллельно, причём обучение реализуется в форме модулей-задач, отражающих универсальные процедуры алгоритмизации в физике и методы математической обработки данных. Унификация достигается за счёт пропедевтического изучения основ моделирования функций и уравнений в рамках технологии программирования, использования пакетов Excel, MathCAD. Реальным компьютерным экспериментом состоит в ряде процедур наблюдения физических явлений и процессов, измерения величин с помощью измерительных комплексов (датчики и микроконтроллеры) на базе цифровых технологий, включающих аппаратно-программные модули сопряжения с устройствами (портами) персонального компьютера (ПК),

реализующими все необходимые этапы измерений и сохранения наборов данных в реальном масштабе времени. В отличие от реального, виртуальный компьютерный эксперимент задействует только модельный аспект и не включает процедуру реального измерения меняющихся физических величин. Виртуальный эксперимент содержи т: цели измерения, задачи построения теоретической модели или схемы явления, созданию компьютерных программ но тем или иным физически обоснованным моделям, их тестирование на основе реально полученных наборов данных. Реальный и виртуальный компьютерный эксперимент дополняют друг друга: виртуальный служит логическим продолжением реального, а реальный, в свою очередь, предоставляет информацию для моделирования, реализуя познание от наблюдения к обобщению и построению теории, а затем возвращение к процедурам проверки следствий. Таким образом, методика использования компыотер-I юга эксперимента должна строиться на основе проек-тирования учебных функций реального эксперимента, технологии обработки данных, содержать задачи, использующие преимущества цифровых технологий физических измерений: возможность непрерывного измерения в реальном масштабе времени, графического изображения измеряемой величины, отсечения шума, аппроксимации измеряемой величины функциями определённого класса точности, численного дифференцирования и интегрирования наборов данных.

Резюме. Рассмотренные аспек ты компьютерного эксперимента образуют базис методики обучения компьютерной физике и основаны на принципах:

— модернизации содержания обучения физике с учётом цифровых технологий физических измерений на базе микропроцессорной техники и компьютерного эксперимента, включении модулей агрегированных понятий в учебный процесс по физике и информатике;

— агрегирования физических понятий и элементов теорий и адекватных им структур данных в единый процессуально-технологический комплекс, фрейм; реализация в рамках фрейма дидактических задач развития творческого мышления и системной деятельности;

— оценки правдоподобности компьютерных моделей физических систем в реальных условиях с

помощью критерия продуктивности компьютерной модели, который должен служить и принципом отбора той или иной задачи (модели); расширения понятийного потенциала стандартного курса физики и информатики за счёт новых агрегированных понятий и структур;

— использования механизма максимальной наглядности восприятия динамики реального и виртуального КЭ для развития творческого мышления, профессиональных качеств и исследовательских навыков по физике.

Библиографический список

1. Елагина, B.C. Интеграция как условие совершенствования естественнонаучного образовании / B.C.Елагина // Материалы 3-й Всероссийской научно-практической конференции. — Челябинск:ЧГПУ,2008. - 159с.

2. Гнитецкаи, Т.Н. Информационные молели внутри- и меж-предметных связей как основа технологии обучения физике автореф.дисс.докт... пел наук. 13.00.02: М.: Изд-во МГПУ, 2006 — '18 с.

3. Компьютеры и нелинейные явления: Информатика и современное естествознание: сб. науч. тр. / под ред. A.A. Самарского. • М.: Наука, 1988 - 192 с.

4. Бауэр, U.M. Методологический анализ форм интегрирующего знания/ Н.М Бауэр // Материалы 3-й Всероссийской паучно-практич. конференции. - Челябинск.ЧГПУ,2008 - 155с.

5. Пиаже, Ж. Генетическая эпистемология / Ж. Пиаже. - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2004 - 160 с.

6. Левченко, Е.Ю. Цифровые измерительные комплексы для учебного физического эксперимента / Е.Ю. Левченко // Материалы межд. конф . — Екатеринбург: УрГПУ, 2007. • 193 с.

7. Матаев, Г.Г. Компьютерная лаборатория в вузе и школе / Г Г. Матаев. - М.: Телеком. 2004. - 440 с.

8. Усова, A.B. Формирование у школьников научных понятий в процессе обучения / A.B. Усова. - М.: Изд-во университета РАО. 2007. - 310 с.

ТАРАНОВ Михаил Степанович, учитель физики и информатики высшей категории, соискатель учёной степени кандида та педагогических наук кафедры теоретической физики.

Статья поступила в редакцию 10.00.08г. ® М. С. Таранов

Книжная полка

Демин, IO. М. Делопроизводство. Подготовка служебных документов [Текст] / Юрий Демин. -2-е изд., перераб. и дон. - СПб. |и др.|: Питер, 2000. - 223, (1) с.: рис., табл., формы. - (Современный офис-менеджмент). - Библиогр.: с. 224. - ISBN 978-5-469-00807-1.

Рогожин, М. Ю. Справочник по делопроизводству [Текст) / Михаил Рогожин. - СПб. [и др.): Питер, 2008. - 192 с.: рис., табл., формы + 1 эл. опт. диск (CD-ROM). - (Современный офис-менеджмент). -Библиогр. в середине кн. - ISBN 978-5-469-01095-1.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.