CC BY
69
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.
