ВСТУП
Впровадження у практику особистісно-орієнтованого навчання, при якому вчитель орієнтується не на "середнього" учня, а на кожного конкретного учня, враховуючи його особистість, здібності, риси, схильності й інтереси, вимагає розробки нових методів, засобів і організаційних форм навчання [1]. Зокрема одним з можливих шляхів із вдосконалення навчального процесу в цьому напрямку є застосування до викладання навчального матеріалу нових досягнень науки і техніки, насамперед комп’ютерної техніки.
Найбільш вагомим застосуванням комп’ютера у фізиці є комп’ютерне моделювання фізичних явищ і робота комп’ютера у поєднанні з експериментальною установкою, де він виконує дві ролі - фіксує експериментальні дані зі швидкістю й в обсягах, зовсім недосяжних при роботі на некомп’ютеризованій установці, та автоматизує керування експериментом. Окрім того, комп’ютер використовується для обробки експериментальних даних, зберігання й швидкого пошуку величезних масивів інформації і як засіб комунікації. Використання персонального комп’ютера на уроках фізики дозволяє познайомити учнів з усіма цими напрямками його застосування.
Існує також ще й дидактична роль використання комп’ютерної техніки, залученої до навчального процесу. Насамперед, це - візуалізація навчального матеріалу. До того ж розширюються можливості залучення до навчального процесу міжпредметних зв’язків. Так, шкільний курс інформатики потребує підтримки з боку курсу фізики, коли мова заходить про будову комп’ютера, принципи функціонування його окремих елементів, і, у свою чергу, інформатика забезпечує курс фізики матеріалом, який викликає великий інтерес учнів.
Комп’ютерне моделювання, яке є сучасним засобом розв’язування прикладних науково-технічних задач у фізиці-науці, має водночас не менш важливе застосування у навчальному процесі разом з потужними у пізнавальному аспекті інформаційними технологіями. Вивчення комп’ютерного моделювання майбутніми вчителями фізики відкриває широкі можливості щодо використання сучасних технологій у їх науковій та навчальній діяльності для реалізації міжпредметних зв’язків інформатики, математики, фізики та інших предметів.
Не зважаючи на очевидну актуальність
застосування комп’ютерного моделювання в шкільному курсі фізики аналіз
літератури та досвід, отриманий автором під час педагогічної практики у
харківських школах, свідчить, що питання його ефективного впровадження у
шкільну практику ще недостатньо досліджені і потребують подальшої розробки при
викладанні певних тем курсу. Тому мета даної дипломної роботи полягає в
розробці питання використання комп’ютерного моделювання в шкільному курсі
фізики на прикладі викладання окремих його тем у старших класах середньої
школи.
РОЗДІЛ 1. ДИДАКТИЧНІ АСПЕКТИ
ТЕХНОЛОГІЗАЦІЇ НАВЧАЛЬНОГО ПРОЦЕСУ В
СЕРЕДНІЙ ШКОЛІ
1.1 Проблема наочності при викладанні
шкільного курсу фізики
Постійне вдосконалення навчально-виховного процесу разом з розвитком і перебудовою суспільства, а також зі створенням єдиної системи безперервного навчання, є характерною рисою народної освіти в Україні. Здійснювана в країні реформа школи спрямована на те, щоб привести зміст освіти у відповідність із сучасним рівнем наукового знання, підвищити ефективність всієї навчально-виховної роботи й підготувати учнів до праці в умовах прискорення науково-технічного прогресу (НТП), авангардні рубежі якого визначені як електронізація народного господарства, комплексна автоматизація. Досягнення НТП - це результат фундаментальних фізичних досліджень [2].
Тому електроніка й обчислювальна техніка стають компонентами змісту навчання в фізиці й математиці, засобами оптимізації й підвищення ефективності навчального процесу, а також сприяють реалізації багатьох принципів розвиваючого навчання.
Обчислювальна техніка, фундаментом якої служить фізика, знаходить широке застосування у викладанні останньої не тільки як засіб, який математичними методами моделює фізичні процеси і явища, але і як сучасний засіб наочності, як засіб математичної обробки результатів демонстраційного експерименту й лабораторних робіт, контролю й самоконтролю знань учнів. Досвід використання обчислювальної техніки на уроках фізики показав, що комп’ютер допомагає готовити завдання для відповідного рівня, темпу засвоєння й стилю кожного учня. Комп’ютер відкриває нові шляхи в розвитку мислення, надаючи нові можливості для активного навчання. Проведення уроків, вправ, контрольних і лабораторних робіт, а також облік успішності за допомогою комп’ютера стає більше ефективним, а величезний потік інформації легкодоступним. Використання комп’ютера на уроках фізики також допомагає реалізувати принцип особистої зацікавленості учня в засвоєнні матеріалу й багато інших принципів розвиваючого навчання.
Звісно, комп’ютер не може повністю замінити вчителя. Вчитель має можливість зацікавити учнів, розбудити в них допитливість, завоювати їхню довіру, він може направити їх увагу на ті або інші аспекти досліджуваного предмета, винагородити їхні зусилля й заохотити вчитися. Комп’ютер ніколи не зможе взяти на себе таку роль учителя.
Необхідно відзначити важливість використання програм моделювання, які залучають учня до світа науки й техніки, недоступного йому особисто; наприклад, дозволяють унаочнити процеси всередині атома й атомного ядра, посадки космічного корабля на Місяць або Марс, хід променів у лінзах, наочно у вигляді імітаційних моделей провести ті або інші навчальні досліди на екрані дисплея, якщо їхнє матеріально-інструментальне втілення за якимись причинами недоступно школі.
Так, використання таких програм, як, наприклад, програмний пакет Microsoft Office (зокрема MS Excel) та середовище flash-програмування (Macromedia Flash), відкривають широкі можливості для творчості учнів, для навчання їх елементам дослідницької діяльності шляхом:
· анімації: об’єкти на екрані можуть рухатися з різними швидкостями й взаємодіяти один з одним, що дає можливість вивчати закони руху й взаємодії тіл;
· можливості конструювати об’єкти всіх видів: від будинків і техніки до експериментальних установок і моделей - тобто відкривають можливість моделювати процеси, робити спостереження й виміри, робити висновки й виявляти закономірності;
· застосування графічного методу - побудови графіків залежностей фізичних величин (наприклад, за допомогою Microsoft Office Excel): зміна параметрів, що вводять, дозволяє краще зрозуміти фізичну природу, сутність досліджуваного явища;
· роботи з векторними величинами: знаходження їхніх проекцій, розкладання сумарного вектора на складові вектори тощо; все це розвиває в учнів більш усвідомлене розуміння векторів.
Усі ці методи використання комп’ютера є традиційними й спрямованими на підвищення ефективності навчання фізиці всіх учнів класу. Широкий діапазон використання комп’ютера й у позакласній роботі: він сприяє розвитку пізнавального інтересу до предмета, розширює можливість самостійного творчого пошуку найбільш захопленою фізикою учнів. Однією з форм використання комп’ютера в позакласній роботі є складання навчальних програм самими учнями [3]. При цьому учні не тільки поглиблюють і розширюють знання з теми, але й активно мислять, залучають для вирішення проблеми раніше отримані знання, проводять синтез, аналіз, узагальнення й висновки, що сприяє всебічному самостійному розгляду поставленого завдання. Складання програми стимулює розумову активність, розвиває творчі здібності учнів, сприяє емоційному задоволенню й самоствердженню.
Ще одна форма нових інформаційних технологій - модливість створювати єдиний інформаційний освітній простір шляхом використання електронних підручників та реалізації міжпредметних зв’язків у вигляді інтернет-посилань, що звісно дозволить більш ефективно формувати суцільний світогляд учня, значно розширити кругозір, розвитку комунікативних здатностей.
Таким чином, всебічне використання можливостей обчислювальної техніки на уроках фізики дозволяє підвищити ефективність навчання, поліпшити контроль і оцінку знань учнів, звільнити більше часу для надання допомоги учням. Комп’ютер дав можливість зробити уроки більш цікавими, захоплюючими й сучасними.
Інформаційна технологія в навчально-виховному процесі - це поєднання традиційних технологій навчання і технології інформатики. За проведеними дослідженнями й оцінками експертів у області комп’ютерного навчання, використання інформаційних технологій у навчально-виховному процесі фізики може підвищити ефективність практичних і лабораторних робіт до 30%, а об’єктивність контролю знань учнів - на 20 - 25% [2].
За характером використання на уроках різних типів педагогічних програмних засобів (ППЗ) розрізняють такі: адаптивні, демонстраційні програми; комп’ютерні моделі; лабораторні роботи; тренажери для розв’язування задач; контролюючі програми.
Адаптивні навчальні програми - це ППЗ, за допомогою яких можна змінювати способи викладу навчального матеріалу залежно від пізнавальних можливостей учнів.
Структура, форма викладу матеріалу, кількість і зміст завдань, крок програми, способи контролю, тип тестових завдань в адаптивній навчальній програмі змінюються залежно від результатів поточного тестування знань і умінь учнів (адаптація за пізнавальними можливостями учня), від часу, затраченого на виконання контрольних завдань (адаптація за часом), від змісту і характеру помилок, припущених учнем (адаптація за помилками).
Реалізація адаптивних навчальних програм з курсу фізики забезпечує вищий ступінь індивідуалізації порівняно з традиційною груповою формою навчання, повне використання пізнавальних можливостей кожного учня [4]. Програми цього виду можуть застосовуватися для додаткового ознайомлення учнів з навчальним матеріалом, для формування основних понять, первинного і підсумкового закріплення й повторення навчального матеріалу, відпрацювання основних умінь і навичок, а також для самоконтролю та контролю знань. Крім того, вони мають кілька режимів роботи, наприклад навчання, тренування, закріплення, контроль знань, тематичний залік.
Демонстраційні програми це ППЗ, призначені для відтворення відеозапису фізичних явищ і дослідів або їх імітації. Вони використовуються для повторення навчального матеріалу у випадках, коли дослід не можна відтворити через недостачу приладів або з якихось інших причин, а також для демонстрування явищ, тривалість яких значно перевищує відведений на це час. Демонстраційні програми відтворюють реальні процеси, цифрова форма їх запису дає змогу акцентувати увагу учнів на найактуальніших її елементах.
Комп’ютерні моделі - це ППЗ, призначені для імітації фізичних дослідів, явищ, процесів шляхом побудови (засобами математичного моделювання) їх ідеалізованих моделей. Комп’ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дають змогу вчителю моделювати явища, створювати абстрактні моделі, які в процесі вивчення курсу фізики описувалися словесно. Комп’ютерні моделі є ефективним засобом пізнавальної діяльності учнів, що відкриває перед учителем фізики широкі можливості з удосконалення навчально-виховного процесу. Комп’ютерні моделі використовуються на уроках фізики під час вивчення властивостей ідеальних моделей (ідеальний газ, електричне поле, електронний газ тощо), моделювання класичних дослідів з фізики (досліди Йоффе - Міллікена, Перрена, Кулона, Мандельштама, Папалексі); моделювання явищ, які не можна відтворити засобами шкільного фізичного кабінету (ядерний магнітний резонанс, стан критичної маси речовини); демонстрування принципу дії машин, приладів і установок (водяний насос, шлюз, парові машина і турбіна, коливальний контур, маятник, електровакуумні та напівпровідникові прилади, плазмотрон, циклотрон, ядерний реактор тощо), закріплення навичок фізичних вимірювань (визначення ціни поділки приладів, маси мікрочастинок тощо).
Лабораторні роботи це ППЗ, які є імітаційними моделями дослідження певних фізичних явищ засобами комп’ютерного моделювання [5].
Лабораторні роботи відрізняються від комп’ютерних моделей явищ тим, що крім моделі демонстраційної установки вони містять додаткові блоки, а саме: блок зберігання результатів експериментальних досліджень, підпрограми побудови графіків залежності фізичних величин, блок обробки результатів експериментальних досліджень, а також електронний журнал, до якого автоматично заносяться результати діяльності учня.
Тренажери для розв’язування задач сприяють формуванню в учнів умінь і навичок розв’язувати фізичні задачі. Зміст цих програмних засобів становлять задачі, згруповані відповідно до рівня складності. Вони містять також підказки системи (радники), довідкові матеріали. Відповіді до задач можуть вводитись як у числовому, так і в загальному вигляді, причому в останньому випадку учень вводить формули в комп’ютер за допомогою клавіатури, а програма розпізнає відповіді незалежно від способу їх написання.
Контролюючі ППЗ виконують функції поточного і підсумкового контролю знань, умінь учнів, набутих у процесі навчання. Часто це тестові завдання з вибором відповіді. Ці програми дають змогу оперативно оцінити й проаналізувати знання великих груп учнів. Деякі програми ведуть статистичну обробку відповідей учнів, що дає вчителю підстави зробити висновок про якість вивчення того чи іншого розділу програми. Значної актуальності набувають програми тематичного контролю знань.
В Україні відомі й поширені педагогічні програмні продукти фірми "Физикон" під загальною назвою "Открытая физика" та іллюстративно-демонстраційний комплекс "Физика в картинках", розроблені Білоруським державним університетом "Активная физика". Програмні продукти відповідно сертифіковані Міністерствами освіти Росії та Білорусії.
В Україні процес розробки ППЗ перебуває ще на стадії становлення.
Досвід використання комп’ютерної техніки в навчальних закладах за кордоном показує доцільність такого шляху розвитку. Так, у школах США, Великобританії ефективно використовуються на уроках природничо-математичного циклу лабораторні пристрої типу "Веlа", що з’єднуються з комп’ютером і дають змогу проводити комплексну обробку результатів експерименту.
Впровадження технологій інформатики в навчально-виховний процес фізики дає змогу модернізувати зміст і спосіб запису інформації фонду і традиційних дидактичних засобів (плакати, слайди, кінофільми). Мається на увазі перезапис інформації, яку несуть ці дидактичні засоби, на сучасні носії інформації - відеокасети, лазерні диски з внесенням відповідних змін до змісту цих засобів, що уможливлює використання методичних досягнень попередніх років.
Досвід упровадження електронно-обчислювальної техніки у навчальний процес показав доцільність такого підходу, коли разом з комплектами навчально-обчислювальної техніки, розміщеними в кабінеті інформатики, використовуються автономні ЕОМ, що розміщені безпосередньо в навчальному кабінеті. Такий підхід сприяє раціональнішому використанню ресурсів електронно-обчислювальної техніки [6].