Материал: Використання комп’ютерного моделювання в шкільному курсі фізики

З вище наведеного випливає, що навчальний фізичний експеримент є поліфункціональною системою, а тому за умови його широкого і систематичного використання у навчанні фізики можна у комплексі вирішувати різноманітні навчально-виховні задачі.

2.3 Аналіз методу комп’ютерного моделювання

Під моделлю розуміють систему, що перебуває у певній відповідності з оригіналом і містить суттєві для даного дослідження його властивості, якою можна заміщувати оригінал та здобувати в процесі її вивчення нові дані про об’єкт або відтворювати певні його властивості. Проаналізувавши різні варіанти класифікацій моделей, в роботі запропоновано узагальнену класифікацію моделей за такими критеріями: за способом подання, за призначенням і за станом (рис. 2.1).

Під моделюванням розуміють опосередкований метод наукового дослідження об’єктів шляхом вивчення їх аналогів - моделей.

Метод моделювання характеризується такими гносеологічними функціями: демонстраційною або ілюстративною, евристичною, трансляційною, апроксимуючою, екстраполяційно-прогностичною та функцією відображення дійсності. Ці функції у своїй діалектичній єдності представляють узагальнену гносеологічну систематизацію ролі методу моделювання в науковому пізнанні.

Під комп’ютерним моделюванням розуміють моделювання об’єкту, процесу або явища комп’ютерними засобами.

Рис. 2.1. Узагальнена класифікація моделей.

Проведений аналіз психолого-педагогічних особливостей формування в учнів умінь комп’ютерного моделювання показує, що розробка комп’ютерних моделей є складним процесом, який передбачає сформованість у них на певному рівні умінь виконувати розумові операції: аналізувати, абстрагувати, порівнювати, виділяти головне, суттєве, класифікувати, узагальнювати тощо, сприяє активізації їхньої розумової діяльності і подальшому розвитку таких умінь, а отже, загальному інтелектуальному розвитку учнів.

Використання комп’ютерного моделювання стимулює науково-пізнавальну та навчально-пізнавальну діяльність учнів під час вивчення профілюючих дисциплін. Створюючи комп’ютерні моделі засобами різних програмних середовищ, учні поглиблюють знання про використання таких засобів, розвивають навички роботи з ними. При математичному моделюванні та розв’язуванні задач з фізики учням необхідно вміти використовувати традиційні засоби програмування, системи комп’ютерної математики (СКМ), такі як MathCad, Maple, Maxima, GRAN, електронні таблиці Microsoft Excel тощо.

Є ряд концептуальних положень методики навчання комп’ютерного моделювання у відношенні викладання фізики [7]:

1) Впровадження в освітній процес методичної системи навчання комп’ютерного моделювання сприяє формуванню інформативних компетентностей учнів з фізики та інформатики, підвищує рівень їхньої підготовки.

2) Для набуття відповідного рівня викладання фізики використання комп’ютерних моделей у навчальному процесі має бути наскрізним.

) Головною метою комп’ютерного моделювання при викладанні фізики є вміння створювати комп’ютерні моделі фізичних явищ та процесів засобами різних програмних середовищ.

Однією з основних форм навчальної діяльності є лабораторні роботи. Особливістю проведення лабораторних робіт із застосуванням комп’ютерної техніки є те, що учні при цьому можуть використовувати різні програмні засоби електронних таблиць MS Excel, тощо.

Одним з ефективних засобів дистанційної підтримки навчальної діяльності за допомогою комп’ютера є використання сайту “Комп’ютерне моделювання” (#"792186.files/image002.gif">

Рис. 2.2.

Більш детальніше проаналізуємо деякі із вище згаданих програмних комплексів щодо того, як в них подається матеріал з теми нашого дослідження.

"Физикус" - це російськомовна навчальна програма, розроблена фірмою "Медиахауз" (рис. 2.3). Складається вона із двох дисків і розроблена у вигляді гри, під час якої користувач заходить у будиночок, де повинен набути певних знань. У цій програмі приділена увага п’яти основним розділам фізики: оптиці, механіці, акустиці, електриці, термодинаміці. По кожному із них створена певна кількість керованих динамічних моделей дослідів, експериментів та будови і принципу дії деяких приладів. Позитивною стороною даної програми є її простота у використанні, доступність для розуміння, хороша графіка та динамічність моделей. Але вона має і певні недоліки. В першу чергу це те, що вона охоплює далеко не весь матеріал шкільної програми, а лише деякі його окремі аспекти.

Рис. 2.3.

Що стосується геометричної оптики, то тут розглянуто лише деякі питання: тінь, сонячне та місячне затемнення, відбивання та поглинання променів світла, плоске дзеркало, заломлення, повне відбивання, збиральна та розсіювальна лінза, будова ока та дефекти зору, лупа, мікроскоп та телескоп. Звичайно ж для вивчення геометричної оптики цього недостатньо, хоча при вивченні деяких тем ця програма може дуже допомогти.

"1С: Репетитор по физике" (рис. 2.4) Що стосується цього програмного комплексу, то він охоплює значно більший обсяг матеріалу, ніж "Физикус". За своїм основним призначання він є помічником при самостійному вивченні чи повторенні навчального матеріалу (наприклад, при підготовці до вступу у ВНЗ). У ньому, наприклад, є такі корисні та цікаві складові, як словник, біографії вчених, технічний калькулятор тощо.

Рис. 2.4

Також важливою особливістю програми є те, що вона автоматично реєструє, скільки часу і по якій темі працював учень, а також кількість правильно та неправильно розв’язаних задач. Також дана програма містить цікаві пізнавальні відеофрагменти та динамічні моделі, які, на нашу думку, значно підвищують рівень засвоєних знань. Однак, ця програма охоплює далеко не весь шкільний курс фізики.

Отже, враховуючи вище згадане, можна зробити висновок, що питання створення програмних навчальних комплексів залишається відкритим та актуальним і на сьогодні.

РОЗДІЛ 3. ПОЄДНАННЯ ТРАДИЦІЙНИХ ТА ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ ШКІЛЬНОГО КУРСУ ФІЗИКИ

3.1 Розробка дидактичного матеріалу для вивчення розділу "Кінематика" в 10 класі загальноосвітньої школи

Вивчення систематичного курсу фізики починається темою "Кінематика", що входить до розділу "Механіка". Засвоєні з цієї теми кінематичні поняття, величини, рівняння різних видів поступального руху учні будуть використовувати не лише у процесі вивчення інших тем з розділу "Механіка", а й усього курсу фізики. Отже, значення знань з кінематики важко переоцінити.

Проте, як свідчить практика, учні сприймають цю тему із значними труднощами, що зумовлено низкою причин. Серед них є такі, що не залежать від учителя фізики. Зокрема, недостатня математична підготовленість учнів, яка виявляється не стільки в тому, що учні не знають відповідних математичних правил і операцій, скільки в тому, що вони ще слабо володіють уміннями їх застосовувати до встановлення фізичних закономірностей, до розв'язування фізичних задач. У міру виконання тренувальних вправ і зростання математичної культури становище виправляється.

Деякі питання кінематики складні для учнів за своєю фізичною суттю, тому учні засвоюють їх не в повному обсязі. Так, поняття відносності (відносність траєкторії, переміщення, швидкості) на рівні вміння застосовувати його до розв'язування конкретних фізичних задач для випадку, коли тіла рухаються паралельно, засвоюють усі учні, а для випадку, коли вектори переміщення чи швидкості напрямлені перпендикулярно або під гострим кутом один до одного - лише сильні учні.

Основними освітніми цілями, що повинні бути реалізовані, є забезпечення учнів знаннями про:

механічні явища - поступальний рух тіла, рівномірний та рівноприскорений прямолінійні рухи, вільне падіння тіл, криволінійний рух та його окремий випадок - рух по колу. Учні повинні знати характерні ознаки кожного явища, основні величини, що його характеризують, умови його перебігу, зв'язок з іншими явищами, а також досліди, які його відтворюють, приклади його використання на практиці;

основні поняття кінематики - матеріальна точка, система відліку, відносність механічного руху, траєкторія руху. Учні мають знати явища чи об'єкти, які характеризуються даним поняттям, ознаки чи умови, за якими його можна (або не можна) застосувати, давати його означення;

кінематичні величини - шлях, переміщення, час, швидкість (миттєва, середня, кутова, лінійна), прискорення доцентрове. При цьому від учня вимагається означення величини, яке включає родові й видові ознаки: векторна величина чи скалярна, мірою яких властивостей є; знання способу та методу її вимірювання, формул, що розкривають зв'язок величини з іншими, одиниць вимірювання, приладу (якщо він є) для вимірювання.

Переважна більшість зазначених знань у міру навчання повинна переходити у відповідні вміння:

спостерігати механічні явища в природі й техніці, відтворювати їх у досліді;

вимірювати та підраховувати за формулами фізичні величини;

будувати і пояснювати графіки залежності кінематичних величин для рівномірного та рівноприскореного рухів;

зображати схематично і в певному масштабі напрям і довжину векторів переміщення, швидкості, прискорення та їх проекції на вибрані осі координат;

виконувати схематичні малюнки до фізичних задач;

розв'язувати нескладні фізичні задачі з кінематики.

Матеріал теми "Кінематика" пронизує ідея відносності: відносність руху, його траєкторії, відносність величин, що характеризують рух. Друга ідея, яка коротко формулюється як основна задача механіки, є своєрідним стрижнем, що обумовлює певну логічну послідовність введення нових понять, сприяє систематизації й узагальненню знань.

Очевидно, що треба передбачити формування знань і вмінь учнів, пов'язаних з усвідомленням названих ідей. Сформулюємо найбільш важливі з них:

переконати учнів у відносному характері механічного руху, зокрема в тому, що значення координат, переміщення, швидкість, вид траєкторії залежать від вибору системи відліку;

навчити переходити від опису руху в одній системі відліку до опису того самого руху в іншій системі відліку;

забезпечити знання ланцюжка понять, що веде до розв'язання основної задачі механіки і вміння ним користуватися.

У навчальному матеріалі з кінематики закладені певні елементи діалектико-матеріалістичного світогляду. Відповідно до них у навчальному процесі слід передбачити формування в учнів переконаності в матеріальності світу, у безперервному русі матерії, нерозривності матерії і руху, у причинно-наслідковому характері перебігу явищ. Певна логічна послідовність вивчення кожного з видів механічного руху - від спостереження даного виду руху в природі, техніці через моделювання його у фізичному досліді, встановлення якісних і кількісних співвідношень між основними характеристиками цього руху до практичної їх перевірки і застосування - дає можливість вчителеві розкрити учням шлях пізнання дійсності, показати роль моделей і дослідів у фізиці. Навчальний матеріал з кінематики матеріальної точки містить значні можливості для здійснення політехнічного навчання. Для цього потрібно поєднати вивчення теоретичного матеріалу з розглядом видів руху у навколишній дійсності, продемонструвати застосування встановлених залежностей між кінематичними величинами в найрізноманітніших галузях промисловості і сільського господарства, на транспорті, ознайомити учнів з елементами механізації як одного з основних напрямів науково-технічного прогресу, запропонувати учням розв'язати практичні задачі, які сприяють розвитку конструкторських і винахідницьких здібностей.

Керуючись сформульованими цілями, потрібно визначити завдання кожного уроку. Наприклад, на уроці з теми "Положення тіла в просторі. Система відліку" доцільно розв'язати такі завдання:

формування знань про поступальний рух, матеріальну точку, систему відліку та вмінь правильно застосовувати ці поняття до опису руху небесних тіл, транспортних засобів, окремих деталей машин і механізмів тощо;

формування знань та вмінь визначати положення матеріальної точки, користуючись поняттям системи відліку;

переконати учнів у відносності значень координат.

Для уроку, на якому виконується лабораторна робота "Визначення прискорення тіла при рівноприскореному русі", ставляться такі завдання:

удосконалити знання про рівноприскорений рух та вміння практично визначати його параметри, складати установку для одержання рівноприскореного руху;

формувати експериментальні вміння користуватися відповідними вимірювальними приладами;

переконувати учнів в істинності здобутих ними знань з даного питання;

формувати вміння планувати дослід, обробляти експериментальні дані для підрахунку прискорення руху.

3.2 Розробка структурно-логічної схеми предмету "Фізика" у 10 класі

Для унаочнення представлення змісту учбового матеріалу та для кращого розуміння взаємозв'язків основоположних фактів і явищ, законів та теорій, проведена розробка структурно-логічної схеми "Фізика" у 10 класі.